Brevet FR3149127A1 — publié le 20241129

L’invention concerne un procédé, comprenant : la fourniture d’une hétérostructure comprenant un substrat de croissance (1), une couche intercalaire de matériau bidimensionnel (2) et une couche épitaxiale de matériau semi-conducteur (3) ; la fourniture d’un substrat rigide (4) comprenant un plan de fragilisation (5) ; la réalisation d’un premier assemblage par collage du substrat rigide avec l’hétérostructure, la première face (F) et la couche épitaxiale (3) étant à l’interface de collage ; la séparation du premier assemblage au niveau de la couche intercalaire de matériau bidimensionnel (2) de manière à obtenir un deuxième assemblage résultant du transfert de la couche épitaxiale (3) de l’hétérostructure vers le substrat rigide (4) ; la réalisation d’un troisième assemblage par collage du deuxième assemblage avec un substrat cible (7), la couche épitaxiale (3) étant à l’interface de collage ; la séparation du troisième assemblage le long du plan de fragilisation (5) du substrat rigide (4). Figure pour l’abrégé : Figure 6 Procédé de double transfert de couche Le domaine de l’invention est celui des procédés de fabrication d’une structure empilée comprenant une couche mince de matériau semi-conducteur adhérant à un substrat cible. L’invention concerne plus particulièrement les procédés qui mettent en œuvre une technique de transfert de couche à base de matériau 2D. L'épitaxie à distance (« remote epitaxy » ) est une méthode de production de couches minces de matériau semiconducteur exposée par exemple dans Kim, H., Chang, C.S., Lee, S. et al. Remote epitaxy. Nat Rev Methods Primers 2 , 40 (2022), https://doi.org/10.1038/s43586-022-00122-w. Cette méthode consiste à interposer, entre un substrat de croissance et la couche semiconductrice que l'on fait croître par épitaxie, une couche de matériau bidimensionnel (matériau 2D également appelé matériau de Van der Waals ou en anglais « Van der Waals material ») qui présente de fortes liaisons atomiques dans le plan mais de faibles interactions de Van der Waals hors du plan. Cette couche de matériau 2D se comporte comme un pseudo-substrat transparent : la structure cristalline de la couche épitaxiale copie celle du substrat de croissance, comme si la couche intermédiaire de matériau 2D n'existait pas. L'avantage est que la couche épitaxiale peut être facilement séparée du substrat de croissance du fait de l’absence de liaisons covalentes entre le substrat de croissance et la couche épitaxiale. Le substrat, qui peut être coûteux, peut ainsi être réutilisé. Comme exposé dans l’article cité ci-dessus, la séparation au niveau de la couche de matériau 2D implique au préalable le dépôt sur la couche épitaxiale d’une couche de contrainte (dite stressor layer ) réalisée en nickel puis l’apposition d’un film adhésif à libération thermique sur la couche de contrainte. L’empilement constitué du film adhésif, de la couche de nickel et de la couche épitaxiale peut ensuite être exfolié du substrat de croissance suivant un détachement provoqué au niveau de la couche de matériau 2D par apport d’énergie mécanique. Comme rapporté dans l’article cité ci-dessus, cet enchainement d’étapes présente un certain nombre d’inconvénients. Premièrement, le dépôt d’une couche de nickel induit une contamination tant au niveau de la couche épitaxiale qui est en contact avec la couche de nickel qu’au niveau du substrat de croissance qui est chargé dans un équipement de dépôt métallique. Des couches additionnelles de protection peuvent être déposées pour limiter les contacts et interactions, et être ensuite retirées. Ainsi, plusieurs étapes additionnelles doivent être mises en œuvre pour résoudre ce problème de contamination, ce qui nuit au coût du procédé sans parler de l’impact de ces étapes additionnelles sur la qualité de la couche épitaxiale et de son exfoliation. Ensuite, le dépôt de la couche de nickel est généralement réalisé par pulvérisation (« sputtering » en anglais). La couche épitaxiale subit donc un bombardement ionique qui dégrade sa qualité sur quelques nanomètres voire quelques dizaines de nanomètres d’épaisseur. En conséquence, notamment lorsque la couche épitaxiale présente une faible épaisseur et que l’endommagement de quelques dizaines de nanomètres est alors à proscrire, un dépôt d’une couche de protection peut s’avérer nécessaire pour protéger la couche épitaxiale. A nouveau, des étapes additionnelles doivent être mises en œuvre, ce qui vient impacter à la fois le coût et le rendement du procédé. En outre, des contraintes sont appliquées afin de provoquer le détachement au niveau de la couche de matériau 2D. Ces contraintes doivent être uniformes tout au long du processus de détachement et d’un bout à l’autre de l’interface constituée par la couche de matériau 2D car de faibles variations peuvent se traduire par une fracture de la couche épitaxiale dans le cas où ces contraintes dépassent la limite de rupture mécanique de la couche épitaxiale. La couche de nickel aide de par son épaisseur à éviter une telle fracture lors du détachement mais n’est pas une panacée. Enfin, lors de ce détachement, la couche épitaxiale est soumise à des flexions qui sont susceptibles d’y provoquer des fissures. La manipulation ultérieure de cette couche en vue de son transfert sur un substrat cible s’opère par ailleurs au moyen du film adhésif qui est flexible. Il en découle également un risque d’apparition de fissures ou de fracture de la couche épitaxiale. L’invention a pour objectif de proposer une technique d’épitaxie à distance qui puisse permettre de s’affranchir des inconvénients susmentionnés et ainsi de préserver l’intégrité de la couche épitaxiale. A cet effet, l’invention propose un procédé de double transfert de couche, comprenant les étapes de : fourniture d’une hétérostructure comprenant un substrat de croissance, une couche intercalaire de matériau bidimensionnel sur le substrat de croissance et au moins une couche épitaxiale de matériau semi-conducteur formée sur la couche intercalaire ; fourniture d’un substrat rigide comprenant un plan de fragilisation formé par implantation ionique à travers une première face du substrat rigide, le plan de fragilisation séparant une couche mince d’une partie massive du substrat rigide ; réalisation d’un premier assemblage par collage du substrat rigide avec l’hétérostructure, la première face du substrat rigide et l’au moins une couche épitaxiale de l’hétérostructure étant à l’interface de collage du substrat rigide et de l’hétérostructure ; séparation du premier assemblage au niveau de la couche intercalaire de matériau bidimensionnel de manière à obtenir un deuxième assemblage résultant du transfert de l’au moins une couche épitaxiale de l’hétérostructure vers le substrat rigide ; réalisation d’un troisième assemblage par collage du deuxième assemblage avec un substrat cible, l’au moins une couche épitaxiale étant à l’interface de collage du second assemblage avec le substrat cible; séparation du troisième assemblage le long du plan de fragilisation du substrat rigide de manière à obtenir un quatrième assemblage résultant du transfert de l’au moins une couche épitaxiale et de la couche mince du troisième assemblage vers le substrat cible. Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce procédé sont les suivants : le collage du substrat rigide avec l’hétérostructure pour la réalisation du premier assemblage est un collage avec activation de surface ; le collage du substrat rigide avec l’hétérostructure pour la réalisation du premier assemblage est un collage par diffusion atomique ; la séparation du premier assemblage au niveau de la couche intercalaire de matériau bidimensionnel comprend un apport d’énergie mécanique et/ou thermique ; l’apport d’énergie thermique est réalisé à une température inférieure à une température de séparation du substrat rigide au niveau du plan de fragilisation ; le substrat de croissance et le substrat rigide présentent des coefficients de dilatation thermique qui diffèrent d’au moins 0,3ppm/K ; le deuxième assemblage est soumis à une ou plusieurs étapes technologiques de fabrication de structures semi-conductrices, chacune réalisée à une température inférieure à une température de séparation du substrat rigide au niveau du plan de fragilisation ; il comprend en outre le retrait de la couche mince du quatrième assemblage ; il comprend en outre après le retrait de la couche mince, une épitaxie du matériau semi-conducteur sur l’au moins une couche épitaxiale ; l’au moins une couche épitaxiale de matériau semi-conducteur comprend une couche de matériau polaire, par exemple une couche de GaN ; le substrat cible est un substrat de SiC polycristallin, un substrat d’AlN polycristallin, un substrat de Si à haute résistivité électrique ou un substrat portant une couche de SiC semi-isolant ; le substrat de croissance est un substrat de silicium d’orientation (111). D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels les figures 1 à 12 représentent un mode de réalisation possible d’un procédé selon l’invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L’invention concerne un procédé de double transfert de couche qui conjugue le transfert d’une couche semi-conductrice d’un substrat de croissance vers un substrat rigide au moyen de la technique de transfert à base de matériau bidimensionnel (2D) puis le transfert de la couche semi-conductrice du substrat rigide vers un substrat cible au moyen de la technique de transfert Smart Cut TM . Dans le cadre de ce double transfert, l’utilisation du substrat rigide permet de réaliser le premier transfert par détachement au niveau du matériau bidimensionnel sans engendrer de fissures dans la couche semi-conductrice et sans nécessiter de couche métallique de contrainte. Cette utilisation permet en outre la manipulation de la couche semiconductrice afin de la transférer sur le substrat cible sans fissure ni fracture dans la couche semiconductrice. Le procédé selon l’invention comprend une étape de fourniture d’une hétérostructure comprenant un substrat de croissance, une couche intercalaire de matériau bidimensionnel sur le substrat de croissance et une (ou plusieurs) couche(s) épitaxiale(s) de matériau semi-conducteur formée(s) sur la couche intercalaire. Cette fourniture peut être la conséquence de la fabrication de l’hétérostructure dans le cadre d’un mode de réalisation possible du procédé selon l’invention. En référence à la , dans ce mode de réalisation le procédé comprend la fourniture du substrat de croissance 1, lequel est par exemple un substrat de Si (d’orientation (111) notamment), de saphir ou de GaN. En référence à la , dans ce mode de réalisation le procédé comprend ensuite la formation de la couche intercalaire de matériau bidimensionnel 2 sur le substrat de croissance 1. Cette formation peut être réalisée après une planarisation de la surface du substrat de croissance, par exemple au moyen d’un polissage mécano-chimique. Un nettoyage de la surface du substrat de croissance peut également être réalisé. Cette formation peut comprendre le dépôt du matériau bidimensionnel 2 sur le substrat de croissance 1. De manière non exhaustive, ce dépôt peut être réalisé au moyen d’une épitaxie par jet moléculaire (MBE pour « Molecular Beam Epitaxy »), d’un dépôt chimique en phase vapeur (CVD pour « Chemical Vapor Deposition ») ou d’une épitaxie de couche atomique (ALD pour « Atomic Layer Epitaxy »). Le matériau bidimensionnel peut être du nitrure de bore hexagonal h-BN, du graphène ou plus généralement n’importe quel matériau 2D « Van der Waals » permettant de réaliser une épitaxie à distance. La couche de matériau bidimensionnel est ainsi constituée de feuillets monoatomiques ayant des interactions faibles entre eux et dont le nombre est limité pour permettre l’épitaxie à distance de la couche de matériau semi-conducteur. Dans une réalisation possible, le nombre de feuillets peut être inférieur à trois. En référence à la , dans ce mode de réalisation le procédé comprend en outre la croissance de la couche épitaxiale de matériau semi-conducteur 3 sur la couche intercalaire 2. Cette croissance s’effectue généralement en deux étapes principales : la nucléation sur la couche de matériau bidimensionnel et la croissance standard de la couche épitaxiale de matériau semi-conducteur. Ces deux étapes peuvent être réalisées à des températures de croissance différentes, la nucléation pouvant être effectuée à une température plus basse que la croissance standard. L'épaisseur de la couche épitaxiale 3 est typiquement comprise entre 100 nm et quelques microns, de préférence comprise entre 500 nm et 2 microns notamment dans le cas d’une couche épitaxiale de GaN. La couche épitaxiale de matériau semi-conducteur peut être une couche de matériau polaire, par exemple une couche de GaN, d’AlN ou de SiC. Prenant le cas d’une couche de GaN ou d’AlN, elle présente par son caractère polaire la caractéristique d’avoir, sur une face, une surface constituée majoritairement d’atomes d’azote (surface dite de type N) et, sur l’autre face, une surface constituée majoritairement d’atomes de gallium (surface dite de type Ga) ou d’aluminium (surface de type Al). En l’espèce, on retrouve la surface de type Ga ou de type Al à l’interface avec la couche de matériau bidimensionnel 2 tandis que la surface de type N forme une surface libre. Il en va de même avec une couche de SiC pour laquelle on retrouve une surface de type Si à l’interface avec la couche de matériau bidimensionnel 2 tandis qu’une surface de type C forme une surface libre. Dans un mode de réalisation possible, le procédé comprend la croissance de plusieurs couches épitaxiales formant un empilement de couches cristallines. Dans ce qui suit, on prendra l’exemple d’une seule couche épitaxiale, étant entendu que l’invention n’est pas limitée à ce cas de figure. Le procédé selon l’invention comprend par ailleurs une étape de fourniture d’un substrat rigide qui comprend un plan de fragilisation formé par implantation ionique à travers une première face du substrat rigide. Ce plan de fragilisation sépare une couche mince d’une partie massive du substrat rigide. Cette fourniture peut être la conséquence de la préparation du substrat rigide dans le cadre d’un mode de réalisation possible du procédé selon l’invention. En référence à la , dans ce mode de réalisation le procédé comprend la fourniture du substrat rigide 4, de préférence un substrat peu coûteux, par exemple un substrat de silicium, notamment un substrat de silicium d’orientation cristalline (111). Puis en référence à la , dans ce mode de réalisation le procédé comprend l’implantation d’espèces ioniques à travers une face F du substrat rigide 4 de sorte à y former un plan de fragilisation 5 séparant une couche mince 6 d’une partie massive du substrat rigide. Les espèces implantées comprennent typiquement de l’hydrogène et/ou de l’hélium. L’homme du métier est à même de définir l’énergie et la dose d’implantation requises. Une fois fournis l’hétérostructure et le substrat rigide implanté, le procédé selon l’invention comprend en référence à la la réalisation d’un premier assemblage par collage du substrat rigide 4 avec l’hétérostructure. Ce collage est réalisé de sorte que la première face du substrat rigide 4 et la couche épitaxiale 3 de l’hétérostructure soient à l’interface de collage du substrat rigide et de l’hétérostructure. Le collage est réalisé de manière à obtenir une énergie de liaison à l’interface de collage du substrat rigide et de l’hétérostructure supérieure à l’énergie de liaison de l’interface de Van der Waals entre le matériau bidimensionnel et la couche épitaxiale. Le collage peut être réalisé à température ambiante. Dans une réalisation possible, il est réalisé sous pression réduite. Un traitement thermique de renforcement du collage peut en outre être mis en œuvre, à une température inférieure à celle d’un traitement thermique qui conduirait à la séparation du substrat rigide au niveau du plan de fragilisation. Dans un mode de réalisation préférentiel permettant d’obtenir une interface de collage fortement résistante, le collage du substrat rigide avec l’hétérostructure pour la réalisation du premier assemblage est un collage avec activation de surface (collage dit SAB pour « Surface Activated Bonding »), un collage par diffusion atomique (collage dit ADP pour « Atomic Diffusion Bonding ») ou encore un collage hydrophile accompagné d’un recuit de renforcement du collage. En référence à la , le procédé comprend ensuite la séparation du premier assemblage au niveau de la couche intercalaire de matériau bidimensionnel 2 de manière à obtenir, comme représenté sur la , un deuxième assemblage résultant du transfert de la couche épitaxiale 3 de l’hétérostructure vers le substrat rigide 4. Cette séparation de la couche épitaxiale 3 du substrat de croissance 1 peut être réalisée au moyen d’un apport d’énergie mécanique et/ou thermique au niveau de la couche de matériau bidimensionnel 2. Lorsque réalisée au moyen d’un apport d’énergie thermique en conjonction ou non avec un apport d’énergie mécanique, la séparation exploite une contrainte induite lors du chauffage ou d'un refroidissement ultérieur du fait d’une différence de coefficient de dilatation thermique entre le substrat de croissance 1 et le substrat rigide 4. Pour ce faire, le substrat de croissance et le substrat rigide présentent de préférence des coefficients de dilatation thermique qui diffèrent d’au moins 0,3ppm/K. L’apport d’énergie thermique est réalisé à une température inférieure à celle d’un traitement thermique qui conduirait à la séparation du substrat rigide au niveau du plan de fragilisation. A titre d’exemple de réalisation, on peut exploiter un substrat de croissance 1 en GaN (qui présente un coefficient de dilatation thermique de 5.6ppm/K) et un substrat rigide 4 en Si (qui présente un coefficient de dilatation thermique de 2.6ppm/K), réaliser le premier assemblage par collage à température ambiante et ensuite mettre en œuvre un chauffage pour induire une contrainte en compression dans le substrat de GaN. On notera qu’il est avantageux de réaliser l’implantation dans le substrat rigide avant le collage et le détachement illustrés sur les figures 6 et 7. Cela permet en effet de préserver l’intégrité de la couche épitaxiale 3 par rapport à une solution qui consisterait à réaliser l’implantation dans le substrat rigide après le détachement de la dans la couche épitaxiale 3 et à travers elle. Dans un mode de réalisation possible, après le détachement de la , le deuxième assemblage illustré par la , et plus particulièrement la couche épitaxiale 3 transférée sur le substrat rigide 4, est soumis à une ou plusieurs étapes technologiques de fabrication de structures semi-conductrices. Ces étapes peuvent notamment consister en un nettoyage, un polissage, un dépôt ou une gravure. Chacun de ces étapes est réalisée à une température inférieure à celle d’un traitement thermique qui conduirait à la séparation du substrat rigide au niveau du plan de fragilisation. Suite à l’obtention du deuxième assemblage illustré par la , le procédé comprend en référence à la la réalisation d’un troisième assemblage par collage du second assemblage avec un substrat cible 7, la couche épitaxiale 3 étant à l’interface de collage du second assemblage avec le substrat cible. Ce collage peut être un collage hydrophile, éventuellement accompagné d’un recuit de renforcement du collage. Puis en référence à la , le procédé comprend la séparation du troisième assemblage le long du plan de fragilisation 5 du substrat rigide 4. Comme représenté sur la , cette séparation conduit à l’obtention d’un quatrième assemblage résultant du transfert de la couche épitaxiale 3 et de la couche mince 6 du troisième assemblage vers le substrat cible 7. Cette séparation est typiquement obtenue en mettant en œuvre un traitement thermique de séparation à une température qui peut être comprise entre 200°C et 600°C pour le silicium. Il est à noter que le procédé selon l’invention permet de recycler le substrat de croissance et le substrat rigide pour leur réutilisation dans un procédé identique ou à une fin autre. Comme représenté sur la , le procédé peut ensuite comprendre le retrait de la couche mince 6 du quatrième assemblage, par exemple par gravure, de manière à ne conserver que la couche épitaxiale 3 sur le substrat cible 7. Après retrait de la couche mince 6, le procédé peut également comprendre une reprise d’épitaxie sur la couche épitaxiale. On notera que lorsque la couche épitaxiale est une couche de matériau polaire, le double transfert réalisé par l’invention permet avantageusement d’exposer la surface (par exemple de type Ga, Al ou Si) de la couche épitaxiale permettant une telle reprise d’épitaxie du matériau semi-conducteur sur la couche épitaxiale. Le substrat cible 7 peut être un substrat de SiC polycristallin ou un substrat d’AlN polycristallin. Ou bien, le substrat cible 7 peut être un substrat de Si à haute résistivité électrique. Ou encore, le substrat cible peut être un substrat portant une couche de SiC semi-isolant, par exemple un substrat de Si, éventuellement à haute résistivité électrique, portant une telle couche de SiC semi-isolant. La couche épitaxiale 3 transférée sur un substrat cible conforme à ces exemples peut être une couche de GaN. Par matériau semi-isolant, on entend un matériau présentant typiquement une résistivité électrique supérieure ou égale à 10 5 Ω/cm. Par matériau à haute résistivité électrique, on entend un matériau présentant typiquement une résistivité électrique supérieure ou égale à 100 Ω/cm. Procédé de double transfert de couche, comprenant les étapes de : fourniture d’une hétérostructure comprenant un substrat de croissance (1), une couche intercalaire de matériau bidimensionnel (2) sur le substrat de croissance et au moins une couche épitaxiale de matériau semi-conducteur (3) formée sur la couche intercalaire ; fourniture d’un substrat rigide (4) comprenant un plan de fragilisation (5) formé par implantation ionique à travers une première face (F) du substrat rigide, le plan de fragilisation séparant une couche mince (6) d’une partie massive du substrat rigide ; réalisation d’un premier assemblage par collage du substrat rigide avec l’hétérostructure, la première face (F) du substrat rigide et l’au moins une couche épitaxiale (3) de l’hétérostructure étant à l’interface de collage du substrat rigide et de l’hétérostructure ; séparation du premier assemblage au niveau de la couche intercalaire de matériau bidimensionnel (2) de manière à obtenir un deuxième assemblage résultant du transfert de l’au moins une couche épitaxiale (3) de l’hétérostructure vers le substrat rigide (4) ; réalisation d’un troisième assemblage par collage du deuxième assemblage avec un substrat cible (7), l’au moins une couche épitaxiale (3) étant à l’interface de collage du second assemblage avec le substrat cible; séparation du troisième assemblage le long du plan de fragilisation (5) du substrat rigide (4) de manière à obtenir un quatrième assemblage résultant du transfert de l’au moins une couche épitaxiale (3) et de la couche mince (6) du troisième assemblage vers le substrat cible (7). Procédé selon la revendication 1, dans lequel le collage du substrat rigide avec l’hétérostructure pour la réalisation du premier assemblage est un collage avec activation de surface. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le collage du substrat rigide avec l’hétérostructure pour la réalisation du premier assemblage est un collage par diffusion atomique. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la séparation du premier assemblage au niveau de la couche intercalaire de matériau bidimensionnel comprend un apport d’énergie mécanique et/ou thermique. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l’apport d’énergie thermique est réalisé à une température inférieure à une température de séparation du substrat rigide au niveau du plan de fragilisation. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le substrat de croissance et le substrat rigide présentent des coefficients de dilatation thermique qui diffèrent d’au moins 0,3ppm/K. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel le deuxième assemblage est soumis à une ou plusieurs étapes technologiques de fabrication de structures semi-conductrices, chacune réalisée à une température inférieure à une température de séparation du substrat rigide au niveau du plan de fragilisation. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, comprenant en outre le retrait de la couche mince (6) du quatrième assemblage. Procédé selon la revendication 8, comprenant en outre après le retrait de la couche mince, une épitaxie du matériau semi-conducteur sur l’au moins une couche épitaxiale. Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel l’au moins une couche épitaxiale de matériau semi-conducteur comprend une couche de matériau polaire, par exemple une couche de GaN. Procédé selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel le substrat cible est un substrat de SiC polycristallin, un substrat d’AlN polycristallin, un substrat de Si à haute résistivité électrique ou un substrat portant une couche de SiC semi-isolant. Procédé selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel le substrat de croissance est un substrat de silicium d’orientation (111).