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FR3151700A1 - Procédé de fabrication d’un substrat de diamant ou d’un matériau III-V pour applications en microélectronique - Google Patents

Procédé de fabrication d’un substrat de diamant ou d’un matériau III-V pour applications en microélectronique Download PDF

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FR3151700A1
FR3151700A1 FR2308227A FR2308227A FR3151700A1 FR 3151700 A1 FR3151700 A1 FR 3151700A1 FR 2308227 A FR2308227 A FR 2308227A FR 2308227 A FR2308227 A FR 2308227A FR 3151700 A1 FR3151700 A1 FR 3151700A1
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iii
monocrystalline
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Soitec SA
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Publication date
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Abstract

L’invention concerne un procédé de fabrication d’un substrat de diamant, respectivement d’un matériau III-V pour applications en microélectronique, comprenant : - le collage d’une pluralité de pavés (20) de diamant, respectivement du matériau III-V monocristallin sur un substrat support (1), chaque pavé étant distant des pavés adjacents, de sorte à exposer une surface latérale (S2) de chaque pavé, - la croissance épitaxiale de diamant, respectivement du matériau III-V, à partir de la surface latérale et de la surface supérieure de chaque pavé, jusqu’à former une couche continue (2) de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin s’étendant sur la pluralité de pavés (20), - la formation, par implantation d’espèces atomiques, d’une zone de fragilisation (21) dans la couche continue (2) de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin, pour délimiter une couche superficielle (22) à transférer, - le collage de la couche continue (2) de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin sur un substrat receveur (3), - le détachement de la couche continue (2) de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin le long de la zone de fragilisation (21) de sorte à transférer la couche superficielle (22) de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin sur le substrat receveur (3), pour former ledit substrat de diamant, respectivement du matériau III-V. Figure pour l’abrégé : Fig. 4

Description

Procédé de fabrication d’un substrat de diamant ou d’un matériau III-V pour applications en microélectronique
L’invention concerne un procédé de fabrication d’un substrat de diamant ou d’un matériau III-V pour applications en microélectronique, notamment pour des applications de puissance.
 Etat de la technique
Le diamant présente un intérêt grandissant pour des applications en microélectronique, notamment pour des applications de puissance.
En effet, le diamant présente une conductivité thermique pouvant atteindre 2200 W/K/m (soit 5 fois la conductivité thermique du cuivre), qui le rend particulièrement intéressant pour remplir une fonction de dissipateur thermique.
Par ailleurs, le diamant peut également être considéré comme un matériau de choix pour l’électronique de puissance grâce à une très grande bande interdite, une tension de claquage élevée, une faible tension de seuil et une forte mobilité des porteurs de charge électrique.
Il devient ainsi possible d’appliquer à un substrat de diamant de forts courants électriques et de fortes tensions électriques avec plus d’efficacité et de rapidité qu’à d’autres matériaux à large bande interdite sans avoir recours à un système de refroidissement.
Cependant, un écueil rencontré dans la fabrication de substrats de diamant monocristallin est la formation de dislocations, qui affectent les propriétés électroniques en créant des niveaux d’énergie dans la bande interdite.
Pour utiliser un substrat de diamant en électronique de puissance, il est nécessaire de le doper, d’obtenir une densité de dislocation faible et de travailler dans des dimensions compatibles avec les équipements de la microélectronique, qui sont actuellement adaptés pour des substrats présentant un diamètre de 150 mm, 200 mm ou 300 mm.
Des procédés visant à réduire la densité de dislocations dans un substrat de diamant grâce à une croissance épitaxiale latérale de diamant (connue sous le terme ELOG, acronyme du terme anglo-saxon « Epitaxial Lateral OverGrowth ») ont déjà été décrits.
Le document WO 2014/045220 décrit ainsi un traitement d’un monocristal de diamant comprenant une gravure de la surface du monocristal sur les zones à fortes densité de dislocations, la formation d’îlots métalliques localisés au niveau de la zone gravée et une reprise d’épitaxie de diamant sur les zones à faible densité de dislocations. Les îlots métalliques permettent de bloquer les dislocations et d’éviter leur propagation dans la couche épitaxiale de diamant.
Le document US 2012/0214856 décrit un procédé dans lequel des pavés de diamant monocristallin sont déposés sur un substrat support de diamant de plus grandes dimensions et de moindre qualité cristalline, avec un alignement des réseaux cristallins du substrat et des pavés, un masque métallique est déposé sur la surface du substrat support afin de promouvoir une croissance épitaxiale de diamant à partir de la surface latérale des pavés, et une reprise d’épitaxie de diamant.
Cependant, ces procédés présentent l’inconvénient d’une part d’être limités à des substrats de faible diamètre, inférieur au diamètre requis pour les équipements de la microélectronique, et d’autre part d’impliquer la présence de métal qui est susceptible de contaminer la surface du substrat et n’est donc pas compatible avec les exigences relatives au taux de contamination en microélectronique.
La densité de dislocations obtenue par ces procédés est de l’ordre de 105cm-2, ce qui reste à améliorer.
Pour tendre vers une densité de dislocations inférieure à 104cm-2, d’autres procédés favorisent également la croissance épitaxiale latérale mais sur la base de creux et d’élévations créées dans un substrat de départ en diamant.
Le document FR 3022563 propose de former une alternance de creux et d'élévations sur le substrat de départ par des étapes de gravures successives : en premier lieu, une gravure légère de la surface révélant les zones écrouies à fortes densités de dislocations, un masquage des zones de bonne qualité (correspondant aux élévations) réalisé avec une résine photosensible, puis une gravure profonde dans les creux. Une croissance épitaxiale latérale est alors privilégiée à partir de ces creux.
Le document FR 3038917 propose de réaliser une ouverture traversante au centre d’un monocristal de diamant pour favoriser une croissance latérale pour laquelle la propagation des dislocations est inhibée. Ce procédé implique une étape de croissance et de coalescence du diamant se situant au-dessus de l’ouverture traversante, qui est la zone où la meilleure qualité cristalline est obtenue.
Cependant, même si la contamination métallique est évitée, ces procédés sont pénalisés par une faible dimension du substrat de départ et un coût élevé.
La problématique exposée ci-dessus s’étend à la fabrication de substrats de matériaux III-V, tels que le nitrure de galium (GaN), le phosphure d’indium (InP) ou l’arséniure de gallium (AsGa), du fait de la disponibilité de ces matériaux sous la forme de substrats de faible diamètre.
Un but de l’invention est donc de concevoir un procédé de fabrication d’un substrat de diamant ou d’un matériau III-V dont la qualité cristalline et les dimensions sont adaptées pour la microélectronique, notamment pour les applications de puissance.
A cet effet, l’invention propose un procédé de fabrication d’un substrat de diamant, respectivement d’un matériau III-V pour applications en microélectronique, comprenant :
- le collage d’une pluralité de pavés de diamant, respectivement du matériau III-V monocristallin sur un substrat support, chaque pavé étant distant des pavés adjacents, de sorte à exposer une surface latérale de chaque pavé,
- la croissance épitaxiale de diamant, respectivement du matériau III-V, à partir de la surface latérale et de la surface supérieure de chaque pavé, jusqu’à former une couche continue de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin s’étendant sur la pluralité de pavés,
- la formation, par implantation d’espèces atomiques, d’une zone de fragilisation dans la couche continue de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin, pour délimiter une couche superficielle à transférer,
- le collage de la couche continue de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin sur un substrat receveur,
- le détachement de la couche continue de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin le long de la zone de fragilisation de sorte à transférer la couche superficielle de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin sur le substrat receveur, pour former ledit substrat de diamant, respectivement du matériau III-V.
L’utilisation des pavés de diamant ou de matériau III-V monocristallin permet de s’affranchir des limites de taille des substrats de diamant ou de matériau III-V présents sur le marché, tout en permettant de former un substrat d’une taille compatible avec les applications en microélectronique, la taille du substrat étant déterminée par la taille du substrat support et/ou du substrat receveur.
Par ailleurs, le procédé évite l’utilisation de métal susceptible de contaminer la surface du substrat de diamant ou de matériau III-V, permettant ainsi d’être compatible avec les exigences de la microélectronique en termes de contamination.
Enfin, l’ensemble du substrat support et du reliquat de la couche continue de diamant ou de matériau III-V monocristallin peut être recyclé pour la formation de nouveaux substrats de diamant ou de matériau III-V, ce qui rend le procédé économiquement avantageux.
De manière particulièrement avantageuse, le procédé comprend en outre, après la formation de la couche continue sur la pluralité de pavés, une séquence d’étapes comprenant successivement :
- un polissage de ladite couche continue,
- une première gravure de la surface polie de ladite couche continue de sorte à révéler des zones à plus forte de densité de défauts cristallins, situées en regard des pavés,
- le dépôt d’un masque de résine photosensible sur la surface de ladite couche continue de sorte à masquer les zones non gravées,
- une seconde gravure, plus profonde que la première gravure, des zones exposées par le masque,
- une reprise de croissance épitaxiale latérale à partir des parois des zones gravées.
Dans certaines formes d’exécution, ladite séquence est répétée au moins une fois.
En particulier, ladite séquence est avantageusement mise en œuvre autant de fois que nécessaire pour obtenir une densité de dislocations inférieure ou égale à 104cm-2dans la couche continue de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin.
La couche continue de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin présente typiquement une épaisseur supérieure ou égale à 1 µm.
La couche superficielle de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin transférée sur le substrat receveur présente généralement une épaisseur comprise entre 100 nm et 1 µm.
De manière particulièrement avantageuse, la distance entre deux pavés adjacents est comprise entre 300 µm et 2 cm, de préférence entre 500 µm et 2,5 mm.
Chaque pavé peut présenter une largeur comprise entre 3 mm et 2 cm.
Le substrat receveur et/ou le substrat support présente avantageusement un diamètre supérieur à 100 mm.
Le substrat receveur et/ou le substrat support comprend du silicium, du carbure de silicium, du saphir ou du quartz.
Dans certains modes de réalisation, les pavés de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin sont formés par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur.
Le procédé peut en outre comprendre, après le transfert de la couche superficielle de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin sur le substrat receveur :
- un polissage du reliquat de la couche continue de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin s’étendant sur la pluralité de pavés,
- la formation, par implantation d’espèces atomiques, d’une zone de fragilisation dans la couche continue de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin, pour délimiter une nouvelle couche superficielle à transférer,
- le collage de la couche continue de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin sur un nouveau substrat receveur,
- le détachement de la couche continue de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin le long de la zone de fragilisation de sorte à transférer la nouvelle couche superficielle de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin sur le nouveau substrat receveur, pour former un nouveau substrat de diamant, respectivement du matériau III-V.
Eventuellement, entre le polissage du reliquat de la couche continue de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin et la formation de la zone de fragilisation, la une reprise de l’épitaxie de diamant, respectivement du matériau III-V, peut être mise en œuvre pour épaissir ladite couche continue de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin.
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 :
- la est une vue schématique en coupe du collage de pavés de diamant ou de matériau III-V monocristallin sur un substrat support ;
- les figures 2A à 2C sont des vues schématiques en coupe de la croissance épitaxiale de diamant ou de matériau III-V à partir de la surface latérale et de la surface supérieure des pavés pour former une couche continue de diamant ou de matériau III-V monocristallin sur les pavés ;
- la est une vue schématique en coupe de la formation d’une zone de fragilisation dans la couche continue de diamant ou de matériau III-V monocristallin ;
- la est une vue schématique en coupe du collage de la couche continue de diamant ou de matériau III-V monocristallin sur un substrat receveur ;
- la est une vue schématique en coupe du détachement de la couche continue de diamant ou de matériau III-V monocristallin le long de la zone de fragilisation ;
- la est une vue schématique en coupe du reliquat de la couche continue de diamant ou de matériau III-V sur le substrat support après le détachement ;
- la est une vue schématique en coupe d’une nouvelle croissance épitaxiale de diamant ou de matériau III-V sur le reliquat de la couche continue de diamant ou de matériau III-V après le détachement ;
- la est une vue schématique en coupe du résultat d’une première gravure de la surface de la couche continue de diamant ou de matériau III-V monocristallin ;
- la est une vue schématique en coupe du dépôt d’un masque sur la couche continue de diamant ou de matériau III-V monocristallin ;
- la est une vue schématique en coupe du résultat d’une seconde gravure de la surface de la couche continue de diamant ou de matériau III-V monocristallin au travers du masque ;
- la est une vue schématique en coupe d’une reprise d’épitaxie de diamant ou de matériau III-V sur la surface gravée de la couche continue de diamant ou de matériau III-V monocristallin.
Pour des raisons de lisibilité des figures, les différents éléments ne sont pas nécessairement réalisés à l’échelle. Les signes de référence identiques d’une figure à l’autre désignent des éléments identiques ou remplissant la même fonction.
Description détaillée de modes de réalisation
L’invention propose d’utiliser des pavés de diamant monocristallin ou d’un matériau III-V monocristallin pour former, sur un substrat de taille adaptée à l’utilisation souhaitée, une couche continue de diamant ou du matériau III-V de bonne qualité et compatible avec l’environnement de la microélectronique.
A cet effet, comme illustré sur la , on dispose, sur un substrat support 1, une pluralité de pavés 20 de diamant ou du matériau III-V. Dans la suite de la description, on évoquera le diamant dans un souci de concision, mais la description s’applique de manière similaire à tout matériau III-V, binaire, tertiaire ou autre alliage plus complexe. Par exemple, ledit matériau III-V peut être du nitrure de galium (GaN), du phosphure d’indium (InP) ou de l’arséniure de gallium (AsGa).
Les pavés sont prélevés d’un substrat donneur de diamant monocristallin. Par exemple, les pavés sont découpés par tout moyen approprié, tel qu’une scie, un laser, jet d’eau, etc. dans le substrat donneur.
Les pavés présentent avantageusement une épaisseur e égale à celle du substrat donneur. Par exemple, des substrats de diamant présentant une épaisseur comprise entre 0,3 et 2 mm sont disponibles commercialement, mais toute autre épaisseur pourrait convenir.
Les pavés peuvent avoir avantageusement une forme rectangulaire ou carrée, mais toute autre forme peut convenir. Un avantage de la forme rectangulaire ou carrée est que les pavés peuvent être placés de sorte que leurs bords soient parallèles les uns aux autres, ce qui assure une distance constante entre les pavés.
La largeur des pavés (c’est-à-dire leur dimension principale dans un plan perpendiculaire à la surface du substrat support) est choisie pour permettre une manipulation des pavés et leur report du substrat donneur sur le substrat support, mais aussi pour assurer un compromis entre la surface couverte par les pavés sur le substrat support et la surface accessible sur le bord des pavés pour une croissance épitaxiale latérale. Les pavés peuvent ainsi présenter une largeur L comprise entre 3 mm et 2 cm.
Le substrat support remplit une fonction de support mécanique pour les pavés, notamment pendant les étapes de reprise d’épitaxie et de gravure qui vont être décrites plus bas.
A cet effet, le substrat support présente avantageusement un coefficient de dilatation thermique (CTE, acronyme du terme anglo-saxon « Coefficient of Thermal Expansion ») proche de celui du diamant formant les pavés. Par « proche » on entend un coefficient de dilatation thermique du substrat support tel que, lors du refroidissement qui suit l’épitaxie permettant de former la couche continue de diamant à partir des pavés, il ne génère pas de contraintes mécaniques dans ladite couche.
De manière avantageuse, le substrat support présente un diamètre adapté aux équipements de la microélectronique de puissance, qui est typiquement supérieur à 100 mm. De préférence, le diamètre du substrat support est de l’ordre de 150 mm, 200 mm ou 300 mm. Le diamètre du substrat support est généralement supérieur à celui du substrat donneur.
Le silicium est un matériau particulièrement adapté pour former le substrat support. En effet, il présente un coefficient de dilatation thermique compatible avec celui du diamant et de certains matériaux III-V, et il est disponible sous la forme de substrats de grands diamètres, de sorte qu’il est particulièrement adapté aux équipements de la microélectronique. Cependant, l’homme du métier pourra utiliser tout autre matériau approprié pour le substrat support, par exemple le carbure de silicium (SiC), le saphir, le quartz, sous forme monocristalline ou polycristalline.
De préférence les pavés sont disposés directement sur le substrat support et y adhèrent par adhésion moléculaire, mais une couche de collage intermédiaire peut éventuellement être utilisée.
Les pavés sont disposés sur le substrat support en ménageant un espace libre entre deux pavés adjacents. Lorsqu’ils sont en place sur le substrat support, les pavés présentent donc deux surfaces libres : une surface supérieure S1, qui est la surface opposée au substrat support, parallèle à la surface principale du substrat support, et une surface latérale S2, qui s’étend sur les bords des pavés, perpendiculairement au substrat support.
Les pavés étant distants les uns des autres, une reprise d’épitaxie (c’est-à-dire une épitaxie du même matériau que celui des pavés) occasionne une croissance latérale, sensiblement parallèle à la surface du substrat support, à partir de la surface latérale des pavés. Comme indiqué plus bas, une telle croissance latérale est plus favorable à la qualité cristalline qu’une croissance verticale, c’est-à-dire perpendiculaire à la surface du substrat support.
La distance d entre deux pavés adjacents est donc avantageusement choisie la plus grande possible tout en permettant une coalescence des îlots de diamants croissant à partir de la surface latérale des pavés avec un blocage des dislocations. Ainsi, la distance entre deux pavés adjacents est typiquement comprise entre 300 µm et 2 cm, de préférence entre 500 µm et 2,5 mm.
Sur la , les pavés sont tous représentés avec la même largeur et la même distance entre pavés, ce qui permet notamment de disposer les pavés sous la forme d’un quadrillage avec les pavés alignés dans deux directions perpendiculaires du substrat support pour former une pluralité de lignes et de colonnes parallèles, mais il serait possible d’avoir des pavés de différentes formes ou dimensions, et agencés à des distances différentes.
Le substrat support sur lequel les pavés sont disposés est ensuite placé dans un bâti d’épitaxie.
On met en œuvre dans ledit bâti des conditions de température et une atmosphère présentant une composition chimique adaptées pour une croissance épitaxiale de diamant (ou du matériau III-V le cas échéant). L’homme du métier est à même de déterminer les conditions adéquates selon le matériau à faire croître.
Les figures 2A à 2C illustrent de manière schématique différentes phases de la croissance épitaxiale du diamant sur la structure de la .
Dans une première phase ( ), des îlots de diamant 201, respectivement 202 croissent sur la surface supérieure, respectivement la surface latérale des pavés 20, dans une direction sensiblement perpendiculaire à la surface considérée. Dans cette première phase, les îlots sont indépendants les uns des autres.
Dans une deuxième phase ( ), les îlots coalescent, jusqu’à former une couche continue 2 ( ), que l’on fait croître jusqu’à atteindre l’épaisseur e2 souhaitée.
Comme illustré sur la , la couche d’intérêt est la couche continue 2 qui s’étend au-dessus des pavés 20. En effet, même si le matériau entourant les pavés est aussi du diamant, la couche comprenant les pavés et le diamant formé par croissance épitaxiale latérale est susceptible de présenter une qualité cristalline irrégulière et n’est donc pas optimale pour former un substrat de diamant. L’épaisseur e2 est donc mesurée entre la surface supérieure des pavés et la surface supérieure de la couche 2.
On peut alors mettre en œuvre un procédé du type Smart Cut™ pour transférer une partie de la couche continue sur un substrat receveur.
En référence à la , on forme une zone de fragilisation 21 dans la couche continue 2, de sorte à délimiter une couche superficielle 22 de diamant. Comme schématisé par les flèches, la zone de fragilisation est formée par implantation ionique dans la couche continue 2.
La profondeur d’implantation est choisie pour être inférieure ou égale à l’épaisseur de la couche continue, de sorte que la couche superficielle n’inclue pas le matériau des pavés. L’épaisseur de la couche superficielle 22 est typiquement comprise entre 100 nm et 1 µm.
Les conditions d’implantation peuvent varier selon le matériau de la couche continue.
Dans le cas d’un matériau III-V, une implantation d’hydrogène et/ou hélium est généralement suffisante pour former la zone de fragilisation à une profondeur déterminée de la couche continue. L’homme du métier sait déterminer les conditions d’implantation requises, notamment la dose et l’énergie d’implantation.
Dans le cas du diamant, il peut être préférable de mettre en œuvre deux étapes d’implantation d’hydrogène afin de favoriser la formation de bulles dans la zone implantée : une première étape d’implantation d’hydrogène est suivie d’un recuit à une température de l’ordre de 1000°C pour graphitiser la zone implantée. Ensuite, une seconde implantation d’hydrogène est réalisée dans la zone graphitisée, qui est plus propice à la formation de bulles permettant le détachement ultérieur de la couche continue. Ce procédé a été décrit dans la thèse de Jon de Vecchy intitulée « Elaboration de substrats innovants à partir de diamant », soutenue le 2 juillet 2020, à laquelle on pourra se référer pour des détails sur les conditions expérimentales.
En référence à la , on colle la couche continue 2 sur un substrat receveur 3.
De manière avantageuse, le substrat receveur présente un diamètre adapté aux équipements de la microélectronique de puissance, qui est typiquement supérieur à 100 mm. De préférence, le diamètre du substrat receveur est de l’ordre de 150 mm, 200 mm ou 300 mm. Le diamètre du substrat receveur est généralement identique à celui du substrat support.
Le silicium est un matériau particulièrement adapté pour former le substrat receveur. En effet, il présente un coefficient de dilatation thermique compatible avec celui du diamant ou de certains matériaux III-V, et il est disponible sous la forme de substrats de grands diamètres, de sorte qu’il est particulièrement adapté aux équipements de la microélectronique. Cependant, l’homme du métier pourra utiliser tout autre matériau approprié pour le substrat receveur, par exemple le SiC, le saphir ou le quartz, sous forme monocristalline ou polycristalline.
Le collage de la couche continue 2 sur le substrat receveur 3 est avantageusement réalisé par adhésion moléculaire, mais une couche de collage intermédiaire peut éventuellement être utilisée.
En référence à la , on initie une fracture dans la couche continue, par exemple par un traitement thermique, une application d’une contrainte mécanique ou tout autre moyen, de sorte à détacher la couche continue le long de la zone de fragilisation et transférer la couche superficielle 22 sur le substrat receveur 3.
On obtient ainsi un substrat S comprenant une couche 22 de diamant ou de matériau III-V d’excellente qualité cristalline sur le substrat receveur 3. Ledit substrat peut être utilisé pour la fabrication de composants électroniques de puissance ou pour toute autre application.
Le substrat constitué du substrat support 1, des pavés 20 et du reliquat de la couche continue de diamant ou de matériau III-V peut être recyclé en vue de la formation d’un ou plusieurs nouveaux substrats du même type que le substrat S, en transférant une portion du reliquat de la couche continue sur un nouveau substrat receveur respectif.
A cet effet, comme illustré sur la , le reliquat 23 de la couche continue de diamant ou de matériau III-V est poli de sorte à supprimer les défauts liés à l’implantation et à la fracture.
Si ledit reliquat 23 de la couche continue de diamant ou de matériau III-V est suffisamment épais, par exemple s’il présente une épaisseur e3 supérieure à l’épaisseur d’au moins une nouvelle couche de diamant ou de matériau III-V à transférer sur un nouveau substrat receveur, on peut alors mettre en œuvre le procédé d’implantation, de collage et de transfert de couche tel que décrit en référence aux figures 3 à 5.
Si l’épaisseur e3 du reliquat 23 de la couche continue de diamant ou de matériau III-V est insuffisante, on peut mettre en œuvre une reprise d’épitaxie de diamant ou du matériau III-V pour épaissir la couche de diamant ou de matériau III-V jusqu’à obtenir une couche 24 présentant l’épaisseur e4 souhaitée, comme illustré sur la . On pourra alors transférer une ou plusieurs portions de la couche 24 pour la(les) transférer sur un ou plusieurs nouveaux substrats receveurs respectifs.
Le procédé de croissance latérale de diamant ou du matériau III-V à partir de la surface latérale des pavés permet de bloquer les dislocations traversantes, ce qui améliore la qualité de la couche continue au moins dans les zones situées entre les pavés. On obtient ainsi, au moins dans les parties de la couche continue situées entre les pavés, qui résultent principalement d’une croissance latérale de diamant ou de matériau III-V, une qualité cristalline du diamant ou du matériau III-V adaptée pour la fabrication de composants d’électronique de puissance. Cette qualité cristalline améliorée est obtenue sans apport de contaminant dans ou sur la couche de diamant ou de matériau III-V.
Cependant, la couche continue peut présenter une qualité cristalline hétérogène, dans la mesure où les parties de la couche situées en regard des pavés, qui sont principalement obtenues par croissance verticale du diamant ou du matériau III-V, présentent davantage de défauts cristallins, notamment des dislocations traversantes.
Pour supprimer lesdits défauts et homogénéiser la qualité cristalline de la couche continue de diamant ou de matériau III-V, on peut alors mettre en œuvre la séquence d’étapes de traitement qui va être décrite en référence aux figures 8A à 8D.
Ladite séquence d’étapes est réalisée après la formation de la couche continue de diamant ou de matériau III-V sur les pavés, avant le collage de ladite couche sur le substrat receveur.
Comme illustré sur la , on met en œuvre une gravure légère de la surface de la couche continue 2. L’homme du métier est capable de choisir la méthode de gravure en fonction du matériau de la couche continue 2. Par exemple, la gravure peut être une gravure ionique réactive de type « Inductively Coupled Plasma Reactive-Ion Etching » (ICP-RIE).
La gravure a pour effet de révéler les zones Z1 à plus forte densité de défauts, qui se trouvent généralement en regard des pavés. On forme ainsi des cavités dans la couche continue 2. Selon l’épaisseur de la couche continue 2, la profondeur des cavités 2a peut être de l’ordre de 0,1 à 2 µm.
Comme illustré sur la , on dépose ensuite par un masque 4 de résine photosensible sur la surface de la couche continue 2. Le masque présente des ouvertures qui exposent les zones gravées Z1 et protège les zones non gravées. Le motif du masque peut être prédéfini en fonction du motif de répartition des pavés sur le substrat support, c’est-à-dire avec les ouvertures agencées en regard des pavés. Le masque peut être formé par des techniques connues de photolithographie.
En référence à la , on met en œuvre une seconde gravure au travers du masque 4. Cette seconde gravure permet de creuser des zones Z2 suffisamment profondes pour favoriser, lors de l’étape suivante de reprise d’épitaxie, une croissance latérale de diamant ou de matériau III-V. La profondeur des zones Z2 peut ainsi être de l’ordre de 1 à 10 µm, selon l’épaisseur de la couche continue 2. La gravure n’atteint pas les pavés 20 eux-mêmes. L’homme du métier est capable de choisir la méthode de gravure en fonction du matériau de la couche continue. La seconde gravure peut être réalisée par la même méthode que la première gravure ou par une méthode différente.
On retire ensuite le masque, par exemple par une gravure sélective.
En référence à la , on met en œuvre une reprise d’épitaxie de diamant ou du matériau III-V, qui favorise une croissance latérale à partir des bords des zones gravées Z2, et qui s’accompagne d’une croissance verticale à partir des zones non gravées, jusqu’à coalescence et obtention d’une couche continue 2 de qualité cristalline améliorée.
Ladite séquence d’étapes peut être mise en œuvre une ou plusieurs fois.
De préférence, la séquence d’étapes est mise en œuvre autant de fois que nécessaire pour atteindre une densité de dislocations inférieure ou égale à 104cm-2dans la couche continue 2.
Un avantage du procédé est qu’il permet d’obtenir une très bonne qualité cristalline, qui peut être supérieure à la qualité cristalline des pavés. Ainsi, dans certains modes de réalisation, les pavés de diamant ou le substrat donneur peuvent être obtenus par un procédé dit HPHT (haute pression, haute température), procurant une qualité cristalline optimale mais relativement onéreux. Dans d’autres modes de réalisation, les pavés de diamant ou de matériau III-V ou le substrat donneur peuvent être obtenus par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur, qui procure une qualité cristalline inférieure mais moins onéreux. Cependant, la reprise d’épitaxie avec une croissance à partir de la surface latérale des pavés permet de s’affranchir de cette moindre qualité cristalline des pavés.

Claims (13)

  1. Procédé de fabrication d’un substrat de diamant, respectivement d’un matériau III-V pour applications en microélectronique, comprenant :
    - le collage d’une pluralité de pavés (20) de diamant, respectivement du matériau III-V monocristallin sur un substrat support (1), chaque pavé étant distant des pavés adjacents, de sorte à exposer une surface latérale (S2) de chaque pavé,
    - la croissance épitaxiale de diamant, respectivement du matériau III-V, à partir de la surface latérale et de la surface supérieure de chaque pavé, jusqu’à former une couche continue (2) de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin s’étendant sur la pluralité de pavés (20),
    - la formation, par implantation d’espèces atomiques, d’une zone de fragilisation (21) dans la couche continue (2) de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin, pour délimiter une couche superficielle (22) à transférer,
    - le collage de la couche continue (2) de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin sur un substrat receveur (3),
    - le détachement de la couche continue (2) de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin le long de la zone de fragilisation (21) de sorte à transférer la couche superficielle (22) de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin sur le substrat receveur (3), pour former ledit substrat de diamant, respectivement du matériau III-V.
  2. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre, après la formation de la couche continue (2) sur la pluralité de pavés (20), une séquence d’étapes comprenant successivement :
    - un polissage de ladite couche continue (2),
    - une première gravure de la surface polie de ladite couche continue (2) de sorte à révéler des zones (Z1) à plus forte de densité de défauts cristallins, situées en regard des pavés,
    - le dépôt d’un masque (4) de résine photosensible sur la surface de ladite couche continue (2) de sorte à masquer les zones non gravées,
    - une seconde gravure, plus profonde que la première gravure, des zones (Z2) exposées par le masque,
    - une reprise de croissance épitaxiale latérale à partir des parois des zones gravées (Z2).
  3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel ladite séquence est répétée au moins une fois.
  4. Procédé selon l’une des revendications 2 ou 3, dans lequel ladite séquence est mise en œuvre autant de fois que nécessaire pour obtenir une densité de dislocations inférieure ou égale à 1E4 cm-2dans la couche continue (2) de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin.
  5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la couche continue de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin présente une épaisseur (e2) supérieure ou égale à 1 µm.
  6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la couche superficielle de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin transférée sur le substrat receveur présente une épaisseur comprise entre 100 nm et 1 µm.
  7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la distance entre deux pavés adjacents est comprise entre 300 µm et 2 cm, de préférence entre 500 µm et 2,5 mm.
  8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel chaque pavé présente une largeur comprise entre 3 mm et 2 cm.
  9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel au moins l’un du substrat receveur et du substrat support présente un diamètre supérieur à 100 mm.
  10. Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel le substrat receveur comprend du silicium, du carbure de silicium, du saphir ou du quartz.
  11. Procédé selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel les pavés de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin sont formés par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur.
  12. Procédé selon l’une des revendications 1 à 11, comprenant, après le transfert de la couche superficielle (22) de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin sur le substrat receveur (3) :
    - un polissage du reliquat (23) de la couche continue de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin s’étendant sur la pluralité de pavés (20),
    - la formation, par implantation d’espèces atomiques, d’une zone de fragilisation dans la couche continue de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin, pour délimiter une nouvelle couche superficielle à transférer,
    - le collage de la couche continue de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin sur un nouveau substrat receveur,
    - le détachement de la couche continue de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin le long de la zone de fragilisation de sorte à transférer la nouvelle couche superficielle de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin sur le nouveau substrat receveur, pour former un nouveau substrat de diamant, respectivement du matériau III-V.
  13. Procédé selon la revendication 12, comprenant, entre le polissage du reliquat (23) de la couche continue de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin et la formation de la zone de fragilisation (21), la mise en œuvre d’une reprise de l’épitaxie de diamant, respectivement du matériau III-V, pour épaissir ladite couche continue (24) de diamant, respectivement du matériau III-V, monocristallin.
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