Brevet FR3141557A1 — publié le 20240503

L’invention concerne un procédé de formation d’une couche de carbure de silicium (20) sur un substrat de silicium, ledit procédé comprenant successivement : le placement d’un substrat de base (10) en silicium dans un four, l’introduction d’un flux d’un mélange d’un gaz carboné dans le four, la montée à une température (T F ) de formation d’une couche de carbure de silicium (20) pour former, par une réaction du propane avec le silicium, une couche de carbure de silicium (20) sur le substrat de base (10) et une couche de carbone (30) sur la couche de carbure de silicium (20), le retrait de ladite couche de carbone (30). Figure pour l’abrégé : Fig 2 Procédé de formation d’une couche de carbure de silicium La présente invention concerne un procédé de fabrication d’un substrat de type semi-conducteur sur isolant ou piézoélectrique sur isolant pour applications radiofréquences. Etat de la technique Les dispositifs radiofréquences (RF), qui traitent des signaux dont la fréquence est comprise entre environ 10 MHz et 300 GHz, trouvent notamment leur application dans le domaine des télécommunications. De tels dispositifs peuvent être formés à partir de substrats de type semi-conducteur sur isolant ou piézoélectrique sur isolant, comprenant successivement un substrat de base, une couche de piégeage de charges électriques (appelée couche « trap rich » en anglais), une couche diélectrique disposée sur la couche de piégeage et une couche active semiconductrice ou piézoélectrique disposée sur la couche diélectrique. Des composants actifs et/ou passifs sont formés dans et/ou sur la couche active. La couche de piégeage de charges prévient l’apparition d’un plan conducteur sous la couche électriquement isolante et la chute de résistivité du substrat de base. De plus, une telle couche élimine les porteurs de charges dans le substrat pouvant entrainer la génération d’harmoniques susceptibles d’interférer avec les signaux se propageant dans le dispositif radiofréquence et de dégrader leur qualité. La couche de piégeage de charges peut être en carbure de silicium (SiC). La formation d’une telle couche est typiquement réalisée par épitaxie sur le substrat de base, afin d’obtenir la qualité cristalline nécessaire pour une suppression d’harmoniques efficace dans le composant RF. Cette étape est suivie d’un polissage mécano-chimique (CMP, acronyme du terme anglo-saxon « Chemical Mechanical Polishing »)) afin d‘obtenir une épaisseur homogène et une surface suffisamment lisse de la couche de carbure de silicium. Le dépôt par épitaxie d’une couche suffisamment épaisse de SiC est lente et par conséquent coûteuse. En outre, une enceinte d’épitaxie reçoit un seul substrat ou un nombre réduit de substrats. Par ailleurs, pendant un procédé d’épitaxie le substrat de base est chauffé par sa face arrière. Cette technique ne permet pas un contrôle précis de la température de la face avant. Ceci peut entrainer la disparition de la couche en carbure de silicium déposée en cas d’une température trop élevée de la face avant. Un but de l’invention est de concevoir un procédé de fabrication d’une couche de SiC sur un substrat de silicium, notamment pour former un substrat pour application radiofréquences, qui soit plus rapide et moins onéreux que les procédés connus. A cet effet, l’invention propose un procédé de formation d’une couche de carbure de silicium sur un substrat de silicium, ledit procédé comprenant successivement : le placement d’un substrat de base en silicium dans un four, l’introduction d’un flux d’un mélange d’un gaz carboné dans le four, la montée à une température de formation d’une couche de carbure de silicium pour former, par une réaction du propane avec le silicium, une couche de carbure de silicium sur le substrat de base et une couche de carbone sur la couche de carbure de silicium, le retrait de ladite couche de carbone. De préférence, le gaz carboné est du propane ou de l’acétylène. Avantageusement, le gaz porteur est de l’argon ou un mélange d’argon et d’hydrogène. De manière avantageuse, la température de formation de la couche de carbure de silicium est comprise entre 750°C et 1100°C. Typiquement, la température de retrait de la couche de carbone est comprise entre 600 °C et 950°C. De préférence, le substrat de silicium présente une résistivité électrique supérieure à 500 Ohm.cm. De manière avantageuse, l’épaisseur de la couche de carbure de silicium est comprise entre 2 et 5 nm. Avantageusement, le procédé comprend en outre, avant l’introduction du flux de propane : l’échauffement du four à une température de décomposition d’un oxyde de silicium natif, le retrait d’une couche d’oxyde de silicium natif du substrat de base par décomposition thermique dudit oxyde, et le refroidissement du four à une température d’introduction du flux de propane. De manière avantageuse, on dispose dans le four une pluralité de substrats de base superposés verticalement, un espace vertical étant ménagé entre deux substrats de base adjacents, de sorte à former une couche de carbure de silicium et une couche de carbone simultanément sur la surface de chacun desdits substrats de base. De préférence, la formation de la couche de carbure de silicium et le retrait de la couche de carbone sont réalisés dans le même four. Dans certains modes de réalisation, dans lequel le retrait de la couche de carbone est réalisé par l’introduction d’un flux d’oxygène dans le four et une réaction de la couche de carbone avec ledit flux d’oxygène. Dans d’autres modes de réalisation, le retrait de la couche de carbone est réalisé par un procédé de gravure par un plasma d’oxygène. L’invention se concerne également un procédé de fabrication d’un substrat de type semiconducteur ou piézoélectrique sur isolant pour applications radiofréquences, comprenant les étapes suivantes : la formation d’une couche de carbure de silicium sur un substrat de silicium tel que décrit ci-dessus pour former un substrat support, la formation d’une zone de fragilisation par implantation d’espèces atomiques dans un substrat donneur en un matériau semiconducteur ou piézoélectrique, le collage dudit substrat donneur sur la face avant du substrat support, une couche diélectrique étant agencée entre la couche de carbure de silicium et le substrat donneur, le détachement du substrat donneur le long de la zone de fragilisation de sorte à transférer une couche du matériau semiconducteur ou piézoélectrique sur le substrat support. Brève description des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : Les figures 1A et 1B sont des vues schématiques d’un substrat de base avant un procédé selon l’invention. La est une vue schématique d’un substrat de base comportant une couche en carbure de silicium et une couche de carbone. La est une vue schématique d’un substrat de base comportant une couche de piégeage de charges en carbure de silicium La montre le profil thermique utilisé pour un procédé selon l’invention. Les figures 5A à 5D illustrent les étapes de fabrication d’un substrat de type semiconducteur ou piézoélectrique sur isolant. La illustre un four de recuit adapté pour la formation pour former une couche de carbure de silicium sur le substrat de base et une couche de carbone sur la couche de carbure de silicium selon un mode de réalisation préféré de l’invention. Description détaillée de modes de réalisation Formation de la couche de carbure de silicium : La illustre un substrat de base 10 en silicium destiné à la fabrication d’un substrat de type semi-conducteur sur isolant ou piézoélectrique sur isolant. La résistivité électrique d’un tel substrat de base est avantageusement supérieure à 500 Ohm.cm. Le substrat de base présente une face arrière 110 et une face avant 130. Typiquement, dans son état de départ, le substrat de base présente une couche d’oxyde de silicium natif 13 sur sa surface. Afin de préparer la face avant pour les étapes ultérieures, on retire d’abord la couche d’oxyde natif. Cette étape est typiquement réalisée dans un four à une température comprise entre 950°C et 1150°C de préférence proche de 1100°C, sous atmosphère inerte. A l’issue de cette étape, en référence à la , le substrat présente une face avant 120 en silicium. On procède ensuite à la formation d’une couche de carbure de silicium 20 sur la face avant 120 du substrat de base. La formation de la couche de carbure de silicium est réalisée dans un four qui sera décrit ultérieurement. Avantageusement, le retrait de la couche d’oxyde natif est réalisé dans le même four afin d’éviter des étapes de transfert entrainant une perte de temps et d’énergie pour le refroidissement et chauffage subséquent, et un besoin de main d’œuvre supplémentaire. La couche de carbure de silicium est formée en phase gazeuse, c’est-à-dire que le carbone est présent dans le four sous forme d’un gaz carboné, par exemple du propane (C 3 H 8 ) ou de l’acétylène (C 2 H 4 ) gazeux. Le gaz carboné est mélangé avec un gaz porteur, par exemple de l’argon ou un mélange d’argon et d’hydrogène. Le substrat est chauffé dans le four à une température de formation de la couche de carbure de silicium. La phase gazeuse de carbone se transforme en carbure de silicium par une réaction avec le silicium sur la surface du substrat. La réaction est auto-limitée, c'est-à-dire que lorsque tout le silicium surfacique de la face avant du substrat de base est consommé, la réaction de carbonisation s’arrête. On n’apporte pas de source de silicium supplémentaire. L’épaisseur finale de la couche de carbure de silicium 20 est comprise entre 2 et 5 nm. Simultanément, en référence à la , une couche de carbone 30 est formée sur la couche de carbure de silicium 20. A l’issue de cette étape, le substrat présente une face avant 320 en carbone. On procède ensuite, en référence à la , au retrait de la couche de carbone. Avantageusement, ce retrait est réalisé par un apport en oxygène sur la face avant du substrat de base. Dans certains modes de réalisation, le retrait de la couche de carbone est réalisé par l’introduction d’un flux d’oxygène dans le four et une réaction de la couche de carbone avec ledit flux d’oxygène. Dans ce cas, le retrait de la couche d’oxygène est avantageusement réalisé dans le même four que le dépôt de la couche de carbure de silicium. Ce traitement est donc réalisé in-situ et ne nécessite aucune étape de refroidissement ou de transfert dans une autre enceinte. Un retrait par un flux d’oxygène dans le même four permet d’obtenir une rugosité de la face avant 220 suffisamment faible pour les étapes ultérieures pour former un substrat de type semiconducteur ou piézoélectrique sur isolant pour applications radiofréquences. Dans d’autres modes de réalisation, le retrait de la couche de carbone est réalisé par un procédé de gravure par un plasma d’oxygène. Ce retrait est efficace, il nécessite cependant une étape de transfert du substrat vers une autre enceinte. En outre, le traitement par un plasma peut dégrader la rugosité de la face avant 220 du substrat de base, ce qui implique un traitement ultérieur pour améliorer la qualité de surface. La illustre un exemple de profil de température pour un procédé de formation d’une couche de carbure de silicium sur un substrat de silicium dans un four de recuit en fonction du temps écoulé. Dans ce cas, toutes les étapes du retrait de la couche d’oxyde natif jusqu’au retrait de la couche de carbone sont réalisées dans le même four. On peut distinguer huit étapes du procédé : La première étape E1 commence à un temps t0. Le substrat de base comportant une couche d’oxyde natif se trouve à température d’introduction dans le four qui est typiquement inférieure ou égale à 500°C. On introduit le substrat dans le four. On commence à chauffer le substrat de base à une température T O de retrait de la couche d’oxyde natif. Ce chauffage peut, de manière illustrative et non limitative, comprendre des montées en température de 5°C/min jusqu’à 900°C, puis de 2°C/min jusqu’à 1000°C, et de 1°C/min jusqu’à 1100°C. Au moment t1, on atteint la température TO de retrait d’oxyde natif. La température T O de retrait d’oxyde natif est comprise entre 1000°C et 1200°C, de préférence proche de 1100°C. Cette température est maintenue pendant l’étape E2 qui dure typiquement environ 20 minutes jusqu’à t2. La durée de cette étape E2 peut varier en fonction de l’épaisseur de la couche d’oxyde natif. On procède ensuite à un refroidissement pendant l’étape E3 jusqu’à une température TI d’injection de gaz carboné dans le four au moment t3. Par exemple, le refroidissement peut être réalisé à une vitesse de 5°C/min et la température d’injection de gaz T I est d’environ 750°C. Après l’injection du gaz carboné et le gaz porteur, on chauffe le substrat dans l’étape E4 à une température T F de formation de couche de carbure de silicium. La température T F de formation de la couche de carbure de silicium 30 est avantageusement comprise entre 750°C et 1100°C. La nucléation du carbure de silicium à la surface du substrat commence pendant la montée en température entre t3 et t4 pendant l’étape E4 et s’arrête quand le silicium sur la surface du substrat de base s’est transformé en carbure de silicium. La réaction de formation du SiC s’arrête pendant la montée en température, quand tout le silicium est consommé. Ensuite, on forme une couche de carbone liée à la décomposition à haute température du gaz carboné. On maintient la température T F pendant l’étape E5 pendant laquelle on évacue le gaz carboné du four sous un flux de gaz porteur pendant environ 10 minutes. Par la suite, toujours à la température T F , on réalise un recuit de la couche de carbure de silicium, par exemple pour une durée de 2 heures jusqu’à t5. On procède ensuite à un refroidissement E6 jusqu’à une température T R de retrait de la couche de carbone. La température T R est atteinte au moment t6 et est comprise entre 600 °C et 950°C. De manière illustrative et non limitative, cette température peut être aux alentours de 800°C. Dans l’étape de retrait E7 on maintient la température T R de retrait et injecte de l’oxygène O 2 dans le four. Par exemple, pour une injection à 2 à 20slm, la durée du retrait de la couche de carbone est d’environ 5 min jusqu’à t7. On baisse en suite, dans une étape finale E8, la température pour sortir le substrat du four. Fabrication d’un substrat de type semiconducteur ou piézoélectrique sur isolant : Le substrat de base comportant la couche de piégeage de charges en carbure de silicium peut maintenant être utilisé pour la fabrication d’un substrat de type semiconducteur ou piézoélectrique sur isolant pour applications radiofréquences. On va maintenant décrire les étapes pour la réalisation d’un tel substrat comprenant un substrat de base comportant une couche de piégeage de charges réalisée selon un procédé tel que décrit ci-dessus, une couche semiconductrice sur sa surface, et une couche électriquement isolante qui est agencée à l’interface entre la couche de piégeage de charges et la couche superficielle semiconductrice. En référence à la , on commence par la mise à disposition d’un substrat donneur 500 semiconducteur ou piézoélectrique à partir duquel une couche semiconductrice ou piézoélectrique sera transférée sur le substrat de base et la couche de piégeage de charges. On forme une couche électriquement isolante 40 sur la surface du substrat donneur 500. En référence à la , comme schématisé par les flèches, on met en œuvre une implantation d’espèces ioniques, telles que de l’hydrogène et/ou de l’hélium, au travers de la couche électriquement isolante 40, de sorte à former une zone de fragilisation 51 dans le substrat donneur 500. Ladite zone de fragilisation 51 définit la couche semi-conductrice ou piézoélectrique 50 à transférer. En référence à la , on colle le substrat donneur 500 ainsi implanté sur la couche de piégeage de charges 20 sur substrat de base 10 par l’intermédiaire de la couche électriquement isolante 40. Cette dernière devient alors une couche d’oxyde enterrée 40. De manière alternative, la couche électriquement isolante 40 peut être formée sur la couche de piégeage de charges sur le substrat de base, et le substrat donneur 50 comprenant la zone de fragilisation 51 peut être collé sur le substrat de base 10 comportant la couche de piégeage de charges 20 et la couche électriquement isolante 40. En référence à la , on détache le substrat donneur 500 le long de la zone de fragilisation 51, ce qui conduit au transfert de la couche semi-conductrice ou piézoélectrique 50 sur le substrat support 100. La couche électriquement isolante 40 est agencée entre la couche de piégeage de charges 20 et la couche semi-conductrice ou piézoélectrique 50. On peut par la suite mettre en œuvre un traitement de finition de la couche transférée 50, de sorte à guérir les défauts liés à l’implantation et à lisser la surface libre de ladite couche 50. La structure de type semi-conducteur ou piézoélectrique sur isolant est maintenant achevée et peut être utilisée pour la fabrication de composants pour application radiofréquences. Présentation du four : Afin de rendre un procédé de traitement d’une pluralité de substrats efficace et rapide, on utilise de préférence un four de recuit pouvant traiter simultanément un maximum de substrats dans des conditions identiques. Un tel four est classiquement appelé four de « batch anneal » dans le domaine de la microélectronique. La illustre un four adapté pour recevoir une quantité comprise entre 120 et 150 substrats dans une chambre de recuit. Les substrats 10 sont positionnés horizontalement dans le four et sont superposés verticalement afin de traiter un maximum de substrats dans le même flux 73 de gaz chaud. On maintient un espace libre entre chaque substrat 10 et les substrats 10 adjacents pour optimiser le flux de gaz et faciliter la formation de la couche de carbure de silicium. Un tel four utilise une configuration du type « top flow », c’est-à-dire qu’un flux de gaz est acheminé dans le four par le haut 71 et, après le passage du four, est évacué par une sortie 79 au fond du four. Typiquement un flux de gaz amène le gaz porteur, et un deuxième flux de gaz apporte un gaz carboné tel que du propane ou de l’acétylène Tous les éléments de la chambre de recuit à l’intérieur du four, c’est-à-dire les parois intérieures 75, les porte-substrats pour maintenir les substrats dans une position horizontale et verticalement superposés, et le gaz compris dans la chambre de recuit sont à la même température pendant l’utilisation du four, à l’exception des éléments extérieurs tels que la paroi extérieure 76 et les extrémités des tuyaux d’arrivée de gaz. Par la même température, on entend que la différence de température entre l’extrémité 74 du haut du four et l’extrémité 78 du bas du four est minimale, typiquement de quelques degrés °C, par exemple moins de 3 degrés pour une température dans le four entre 800 et 1200°C. Les substrats sont chauffés principalement par conduction depuis les parois du four. Les flux du gaz sont injectés à la même température que la température à l’intérieur du four. Un tel four permet de traiter simultanément un grand nombre de substrats grâce à l’agencement en superposition verticale. De plus, un tel four permet de réaliser l’étape de retrait de la couche d’oxyde natif, l’étape de dépôt de la couche de carbure de silicium et l’étape de retrait de la couche de carbone dans la même chambre, ce qui évite un risque de contamination pendant un transfert entre deux enceintes différentes. On évite des étapes de transfert entre différentes enceintes adaptées aux étapes respectives, évitant ainsi un refroidissement entre les étapes, le besoin de main d’œuvre pour le transfert et ainsi une perte de temps et d’efficacité. Procédé de formation d’une couche de carbure de silicium (20) sur un substrat de silicium, ledit procédé comprenant successivement : le placement d’un substrat de base (10) en silicium dans un four, l’introduction d’un flux d’un mélange d’un gaz carboné dans le four, la montée à une température (T F ) de formation d’une couche de carbure de silicium (20) pour former, par une réaction du propane avec le silicium, une couche de carbure de silicium (20) sur le substrat de base (10) et une couche de carbone (30) sur la couche de carbure de silicium (20), le retrait de ladite couche de carbone (30). Procédé selon la revendication 1, dans lequel le gaz carboné est du propane ou de l’acétylène. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le gaz porteur est de l’argon ou un mélange d’argon et d’hydrogène. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la température (T F ) de formation de la couche de carbure de silicium (30) est comprise entre 750°C et 1100°C. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la température (T R ) de retrait de la couche de carbone est comprise entre 600 °C et 950°C. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat de silicium présente une résistivité électrique supérieure à 500 Ohm.cm. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’épaisseur de la couche de carbure de silicium (20) est comprise entre 2 et 5 nm. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre, avant l’introduction du flux de propane : l’échauffement du four à une température (T O ) de décomposition d’un oxyde de silicium natif, le retrait d’une couche d’oxyde de silicium natif (13) du substrat de base (100) par décomposition thermique dudit oxyde, et le refroidissement du four à une température d’introduction du flux de propane (TI). Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel on dispose dans le four (70) une pluralité de substrats de base (10) superposés verticalement, un espace vertical étant ménagé entre deux substrats de base (100) adjacents, de sorte à former une couche de carbure de silicium (20) et une couche de carbone (30) simultanément sur la surface de chacun desdits substrats de base (10). Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la formation de la couche de carbure de silicium (20) et le retrait de la couche de carbone (30) sont réalisés dans le même four (70). Procédé selon la revendication 10, dans lequel le retrait de la couche de carbone (30) est réalisé par l’introduction d’un flux d’oxygène dans le four et une réaction de la couche de carbone avec ledit flux d’oxygène. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le retrait de la couche de carbone (30) est réalisé par un procédé de gravure par un plasma d’oxygène. Procédé de fabrication d’un substrat de type semiconducteur ou piézoélectrique sur isolant pour applications radiofréquences, comprenant les étapes suivantes : la formation d’une couche de carbure de silicium (20) sur un substrat de silicium selon l’une quelconque des revendications précédentes pour former un substrat support (100), la formation d’une zone de fragilisation (51) par implantation d’espèces atomiques dans un substrat donneur (500) en un matériau semiconducteur ou piézoélectrique, le collage dudit substrat donneur (500) sur la face avant du substrat support (100), une couche diélectrique (40) étant agencée entre la couche de carbure de silicium (20) et le substrat donneur (500), le détachement du substrat donneur (500) le long de la zone de fragilisation (51) de sorte à transférer une couche (50) du matériau semiconducteur ou piézoélectrique sur le substrat support (100).