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WO2014114730A1 - Procede de fabrication d'une couche a base de nitrure d'element iii par decollement spontane - Google Patents

Procede de fabrication d'une couche a base de nitrure d'element iii par decollement spontane Download PDF

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WO2014114730A1
WO2014114730A1 PCT/EP2014/051365 EP2014051365W WO2014114730A1 WO 2014114730 A1 WO2014114730 A1 WO 2014114730A1 EP 2014051365 W EP2014051365 W EP 2014051365W WO 2014114730 A1 WO2014114730 A1 WO 2014114730A1
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WO
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layer
polar
growth
manufacturing
implantation
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/051365
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English (en)
Inventor
Gilles Nataf
Philippe DE MIERRY
Sébastien CHENOT
Gérard MOLINO
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
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Filing date
Publication date
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    • H01L21/76254—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology using bonding techniques with separation/delamination along an ion implanted layer, e.g. Smart-cut, Unibond

Definitions

  • the invention relates to a method of producing a semiconductor layer - for example self-supporting - based on elements of columns III and V of the periodic table.
  • a layer may be intended for the manufacture of semiconductor structures such as light-emitting diodes (LEDs) or laser diodes (DL).
  • Element III nitride semiconductor materials in the periodic table - such as gallium nitride GaN materials - are becoming more and more important in the fields of electronics and optoelectronics, especially for the manufacture of semiconductor components such as light emitting diodes (LEDs) or laser diodes (DL).
  • Current processes for the fabrication of element III nitride semiconductor materials are based on the so-called hetero-epitaxy technique, which consists of growing a crystal - such as a gallium nitride GaN crystal - on a substrate. of different nature - such as a sapphire substrate.
  • the heteroepitaxy technique induces many crystal defects in the element III nitride structure, such as dislocations.
  • these crystalline defects limit the performance and service life of element III nitride-based components. These defects arise from the difference in material between the starting substrate (on which is implemented the growth of element III nitride) and the element III nitride layer from which the semiconductor component is manufactured.
  • the starting substrate generally used for growth is sapphire whose crystal lattice parameters (ie mesh parameter) and thermal expansion parameters are very different from those of gallium nitride GaN.
  • TDD dislocation density ⁇ 5.10 8 cm- 2
  • Threading Dislocation Density a limited number of crystalline defects
  • Optoelectronic components made on polar orientation III element nitride layers are subjected to polarization effects due to the hexagonal structure of the material. This greatly reduces the efficiency of these optoelectronic components, such as the internal quantum efficiency of a light emitting diode (LED) on a polar orientation gallium nitride layer.
  • LED light emitting diode
  • the only method for obtaining a non-polar or semi-polar orientation III element nitride layer, whose quality is close to that of the orientation III element nitride layers Polar consists of: to grow a very thick layer 1 of polar element III nitride and
  • US 7,943,484 discloses a method of separating a semiconductor layer including optoelectronic components. According to US Pat. No. 7,943,484, the existing methods including a step of separating a functionalized layer by implantation have the disadvantage of inducing a degradation of the quality of said layer. To overcome this drawback, US Pat. No. 7,943,484 proposes the implementation of a step of depositing a mask impermeable to implantation ions prior to the implantation step. US 2009/14005 discloses a method of forming a silicon layer, the method comprising a step of making a mask including apertures. A purpose of document US 2009/14005 is to provide a method for making openings of the mask without implementing an etching step.
  • US 2009/14005 proposes the implementation of an ion implantation step and a thermal annealing step to form openings by exfoliation.
  • An object of the present invention is to provide a method of manufacturing nitride layers of element III, in particular of non-polar or semi-polar orientation:
  • the invention proposes a method of manufacturing a layer based on element III nitride, for example based on gallium nitride GaN,
  • the method comprises at least the following steps:
  • the deposition of a dielectric or metal mask on the growth support comprising the deposition of a dielectric or metal layer on the entire surface of the growth support and etching of the dielectric or metallic layer so as to form apertures exposing regions of the surface of the growth support,
  • the combination of the steps of implantation and deposition of the mask makes it possible on the one hand to improve the quality of the III nitride layer deposited on the growth support, and on the other hand to weaken the connection between the element III nitride layer and the growth support at the interface therebetween.
  • the growth of the elemental nitride layer III by lateral epitaxial overgrowth (ELO) also makes it possible to improve the quality of the element III nitride layer.
  • ELO lateral epitaxial overgrowth
  • the use of a growth support having a growth surface of non-polar or semi-polar crystalline orientation allows the growth of a layer of element nitride. III of non-polar or semi-polar orientation of large dimensions.
  • the non-polar or semi-polar crystalline orientation of a material means any crystalline orientation in which the C [0001] axis forms an angle with the normal to the growth surface of the material. material.
  • a layer A when mentioned as being on a layer B, it may be directly on the layer B, or may be located above the layer B and separated from said layer B by one or more intermediate layers.
  • the implantation step is not implemented before the deposition of an epitaxial lateral growth mask.
  • the implantation step is implemented after having made an optoelectronic component in the semiconductor layer to be separated (and therefore after the mask deposition step).
  • An implantation step makes it possible to weaken an area to facilitate the separation of a semiconductor layer. ELO overgrowth improves the quality of the epitaxial crystal.
  • the combination of ELO implantation and overgrowth steps has other advantages; especially : i) the fact that the implantation step is carried out before the overgrowth step makes it possible to improve the quality of the epitaxially grown GaN layer during the ELO overgrowth step, in particular in terms of flatness, (besides its effect known about the ease of separation),
  • US 2009/14005 does not disclose a method wherein the step of depositing a mask comprises depositing a layer of dielectric material and etching the layer of dielectric material to form apertures.
  • US 2009/14005 proposes to make openings in the mask by an exfoliation technique based on an implantation step followed by a heat treatment step to form exfoliated areas forming growth windows so that no etching step is implemented.
  • the method further comprises a step of forming the growth support by depositing a monocrystalline film based on element III nitride on a crystalline substrate of non-polar or semi-polar or polar crystalline orientation, the implantation weakening ions being produced in the monocrystalline film so as to create a weakened zone in the monocrystalline film;
  • the embrittlement ions are chosen from Tungsten, Helium, Neon, Krypton, Chromium, Molybdenum, Iron, Hydrogen or Boron;
  • embrittlement ions are tungsten ions
  • the implantation step is performed so that the weakened zone is at the interface between the growth support and the mask;
  • the step of implanting comprises the embrittlement of ion implantation at an implantation dose of between 10 15 and 10 17 cm "2;
  • the implantation step comprises the implantation of embrittlement ions at an implantation energy of between 5 keV and 200 keV, preferentially between 75 KeV and 100 KeV;
  • the spontaneous separation at the level of the weakened zone is implemented during the return to ambient temperature after the step of growth of the element III nitride layer;
  • the crystalline substrate is chosen from sapphire, ZnO, 6H-SiC, LiAlO 2, LiGaO 2, MgAl 2 O 4, Si, GaAs, AlN, GaN, AlGaN;
  • the crystalline substrate is a sapphire substrate Al2O3;
  • the crystalline substrate is a sapphire substrate A1203 of crystalline orientation chosen from a plane R such that the plane (1-102) or a plane M such as the plane (10-10);
  • the crystalline substrate is a crystalline orientation sapphire substrate A1 2 O 3 selected from a plane A such as the (1 1 -20) plane, or a C (0001) plane;
  • the step of depositing a mask (dielectric or metallic) comprises depositing a layer (of dielectric or metal) and etching of the layer (dielectric or metal) to form openings, the number and the dimensions of the apertures being provided so that the proportion of monocrystalline film surface covered by the material (dielectric or metallic) is between 20 and 95% of the total surface of the monocrystalline film, and preferably between 50 and 95%;
  • the openings are in the form of a strip of width less than 10 micrometers
  • the mask is a dielectric mask, the material constituting the dielectric mask being SiNx or SiO2 or TiN;
  • the mask may be a metal mask, the material constituting the mask being W, Mo or Cr;
  • the step of forming a monocrystalline film is carried out by:
  • EPVOM o organometallic vapor phase epitaxy
  • MBE o molecular beam epitaxy
  • the step of forming a monocrystalline film is carried out by organometallic vapor phase epitaxy (EPVOM);
  • the support comprises a growth surface of non-polar or semi-polar crystalline orientation.
  • the invention also relates to a growth support including a growth surface of non-polar or semi-polar or polar crystalline orientation, remarkable in that it comprises a weakened zone by implantation of embrittlement ions.
  • the growth support comprises a monocrystalline film based on element III nitride on a crystalline substrate of non-polar or semi-polar or polar crystalline orientation, the weakened zone extending in the monocrystalline film.
  • the growth medium may also include a mask (dielectric or metallic) on the growth surface.
  • the invention also relates to a semiconductor layer based on non-polar or semi-polar element III nitride, said layer being able to be obtained by the method described above. In all cases, this layer comprises:
  • FIG. 1 illustrates different orientations (i.e. semi-polar and non-polar) in a gallium nitride crystal
  • FIG. 2 illustrates an embodiment of a method for manufacturing a layer based on element III nitride
  • FIG. 3 illustrates another embodiment of the method for manufacturing a layer based on element III nitride.
  • FIG. 2 illustrates the steps of a method making it possible to produce a layer of gallium nitride self-supported by deposition of gallium nitride on a growth support.
  • the filing operation comprises the following steps successively:
  • a step of implantation of weakening ions in the growth support at least one step of lateral epitaxial overgrowth (or "ELO"), on the growth support for epitaxializing a layer of non-polar orientation gallium nitride or semi-polar, and
  • the growth support may consist of a single material.
  • the growth support may be a layer of gallium nitride.
  • the growth support may consist of a stack of layers.
  • the growth support may consist of a stack including a layer of gallium nitride on a layer of aluminum nitride on a sapphire substrate.
  • the implantation step 10 makes it possible to create a weakened zone at the interface between the growth support and the gallium nitride layer.
  • This spontaneous separation is due to the thermal cycle (epitaxy at high temperature followed by cooling at room temperature) that the gallium nitride layer undergoes during the overgrowth step ELO which succeeds the implantation step.
  • the embrittlement ions implanted during the implantation step are tungsten ions.
  • tungsten ions can break down materials such as gallium nitride.
  • the ELO overgrowth step 20 makes it possible to minimize the density of defects contained in the layer of gallium nitride.
  • the approach used to reduce the dislocation density in the gallium nitride GaN layer consists of:
  • the ELO overgrowth step can be based on:
  • the fact that the implantation step is performed before the ELO overgrowth step improves the quality of the epitaxial gallium nitride layer during the ELO growth step, especially in terms of flatness.
  • FIG. 3 there is illustrated an alternative embodiment of a method of manufacturing a non-polar or semi-polar orientation gallium nitride layer from an initial substrate.
  • the method comprises the following steps:
  • Substrate The initial substrate 4 may have a thickness of a few hundred micrometers - generally 350 microns - and be treated by nitriding prior to any gallium nitride deposition step.
  • the initial substrate 4 may be chosen from Si, AlN, GaN, GaAs, Al 2 O 3 (sapphire), ZnO, SiC, LiAlO 2, LiGaO 2, MgAl 2 O 4, 4H-SiC, or any other type of initial substrate known to those skilled in the art for implement a growth of gallium nitride.
  • the initial substrate 4 is a sapphire substrate. This improves the optoelectronic quality of the gallium nitride layer made thereon.
  • the orientation of the nitrides in the gallium nitride layer depends on the crystalline orientation of the initial substrate 4 on which the growth is carried out.
  • the initial substrate 4 may have a crystalline orientation in an R (1-102) plane or in an M (10-10) plane.
  • the galliunn nitride grows in the so-called non-polar direction A [1 1 -20].
  • a non-polar orientation galliunn nitride layer is then obtained.
  • the initial substrate 4 may also have other crystalline orientations such as a polar crystalline orientation C (0001), or a crystalline orientation in a plane A (1 1 -20). 2.2. Formation of the monocrystalline film
  • the method comprises a step of forming a buffer layer on the initial substrate followed by a step of forming a gallium nitride film, the assembly constituting the gallium nitride film 5 shown in FIG. training 40.
  • This step of forming a gallium nitride film 5 can be carried out by:
  • EPVOM organometallic vapor phase epitaxy
  • MBE - molecular beam epitaxy
  • the formation of the gallium nitride film 5 is carried out by organometallic vapor phase epitaxy (EPVOM).
  • EPVOM organometallic vapor phase epitaxy
  • the thickness of the gallium nitride film 5 may be between 0.1 and 20 ⁇ , preferably between 1 and 2.5 ⁇ , and even more preferably of the order of 2 ⁇ .
  • the step of forming a buffer layer may also comprise a step of depositing an aluminum nitride layer, for example in the case of an initial substrate of silicon.
  • a buffer layer including a layer of aluminum nitride AIN makes it possible to improve the quality of the subsequently deposited layer of gallium nitride GAN, in particular in the case of an initial substrate of Si which has a coefficient of thermal expansion very different from gallium nitride.
  • the growth support 6 is obtained for the growth of the non-polar or semi-polar gallium nitride layer.
  • a 50 implantation of embrittlement ions is implemented in this growth support 6. This implantation 50 allows the creation of a weakened zone 7 at the level of the upper face of the growth support 6.
  • the implanted ions may be selected from Tungsten, Helium, Neon, Krypton, Chromium, Molybdenum, Iron, Hydrogen, or Boron.
  • the implanted ions are tungsten ions. These have the particularity of decomposing gallium nitride.
  • the ion implanted dose may be between 10 15 and 10 17 cm-2, and the implantation depth can vary between 10 nm and 100 nm starting from the free surface 61 - called the growth surface - of the growth support 6.
  • Implantation 50 of embrittlement ions can be implemented during a single step or during successive steps. The temperature can be between 4K and 1000K during the implantation step. In all cases, the implantation step 50 is performed so that the weakened zone 7 is at the interface between the growth support 6 and the mask 8.
  • a mask 8 is deposited (step 60) on the growth support 6.
  • This mask 8 makes it possible on the one hand to weaken the interface between the growth support 6 and the mask 8, and on the other hand to improve the quality of the gallium nitride layer 9 epitaxially grown on it during a subsequent growth step 70 (by filtering the through defects of the growth medium).
  • the mask may be a mask of dielectric or metallic material.
  • the material constituting it is preferably of the SiNx or SiO2 or TiN type. This makes it possible to minimize the defects created at the edge of the mask and thus improves the quality of the layer of gallium nitride 9 later epitaxially grown on it.
  • the material constituting it is preferably of the Tungsten (W) or Molybdenum (Mo) or Chromium (Cr) type.
  • the deposit 60 of the mask 8 can be made in the growth chamber of gallium nitride from silane and ammonia directly on the growth support described above.
  • the deposit 60 of the mask 8 may be made by any technique known to those skilled in the art.
  • the step of depositing the mask comprises:
  • a layer (of dielectric or metal) on the entire surface of the growth support, and etching the dielectric or metal layer, in particular by photolithography, so as to define openings 81 in the layer (dielectric or metal) exposing micrometric regions of the growth surface of the growth support.
  • the openings 81 defined during the etching may be one-off or in the form of strips.
  • the point openings may be inscribed in a circle with a radius of less than 10 microns, whereas the openings in the form of a strip have a width of less than 10 micrometers, the length of the strips being limited only by the dimensions of the growth medium .
  • the spacing between two adjacent openings 81 may be two to ten times greater than the width of the opening. This makes it possible to improve the quality of the layer of gallium nitride epitaxially grown thereon during the subsequent growth stage.
  • the spacing between the openings is intended to allow localized epitaxy of gallium nitride and then the anisotropic and lateral growth of gallium nitride. 2.5. Growth of the gallium nitride layer
  • a growth step 70 of the gallium nitride layer 9 is implemented.
  • the growth step 70 is carried out by ELO.
  • ELO This makes it possible to improve the quality of the gallium nitride GaN layer by reducing the density of dislocations and stacking faults that propagate in a restricted area from the openings of the mask.
  • the ELO growth principle is for example the following. During the epitaxy of the GaN 9 gallium nitride layer, the gallium nitride preferentially grows in the openings of the mask by epitaxy on gallium nitride 5. The growth parameters are adjusted so that the gallium nitride GaN develops laterally. This lateral growth continues, until gradually covering the covered areas of the mask without adhering to it.
  • This zone of lateral growth above the mask is free of dislocations and stacking faults since it develops in a direction forming an angle with the direction of the defects. Coalescence occurs when the growth fronts of two adjacent crystals meet to form a coalescing joint, vertically above the dielectric bands.
  • the growth of the gallium nitride layer 9 is then continued until a desired thickness of gallium nitride GaN (2D growth) is obtained.
  • the implanted embrittlement ions diffuse towards the interface between the surface of the growth support and the mask.
  • the embrittlement ions induce a decomposition of the gallium nitride deposited on the sapphire substrate and the creation of voids at the interface between the growth support and the mask.
  • the spontaneous separation at the weakened zone takes place due to the thermal cycle (high temperature then cooling) that the gallium nitride layer undergoes after the implantation step.
  • This layer of self-supporting gallium nitride 9 may then be treated by mechanical or chemical polishing to allow its subsequent use as a GaN T gallium nitride substrate.
  • Another advantage of the present invention compared to the state of the art is that it allows to reuse the growth support 6 (and more precisely the sapphire substrate 4 in the case of the process illustrated in FIG. 3) several times. after separation of the gallium nitride layer 9, repolishing and optionally resuming growth of the monocrystalline film 5.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une couche à base de nitrure d'élément III (9), comprenant au moins les étapes suivantes : - Implantation (10, 50) d'ions de fragilisation dans un support de croissance (6), l'étape d'implantation permettant de créer une zone fragilisée (7), - dépôt (60) d'un masque diélectrique ou métallique (8) sur le support de croissance (6), - croissance (20, 70) de la couche semi-conductrice (9) à base de nitrure d'élément III, sur le support de croissance (6), par surcroissance épitaxiale latérale (ELO) jusqu'à une épaisseur donnée suffisante pour induire une séparation spontanée (80) au niveau de la zone fragilisée (7).

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE COUCHE A BASE DE NITRURE D'ELEMENT III PAR DECOLLEMENT SPONTANE
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne un procédé de réalisation d'une couche semi-conductrice - par exemple autosupportée - à base d'éléments des colonnes III et V du tableau périodique. Une telle couche peut être destinée à la fabrication de structures semi- conductrices telles que des diodes électroluminescentes (DEL) ou des diodes laser (DL).
PRESENTATION DE L'ART ANTERIEUR
Les matériaux semi-conducteurs à base de nitrures d'éléments III du tableau périodique - tels que les matériaux à base de nitrure de gallium GaN - occupent une place de plus en plus importante dans les domaines de l'électronique et de l'optoélectronique, notamment pour la fabrication de composants semi-conducteurs tels que des diodes électroluminescentes (DEL) ou des diodes laser (DL). Les procédés actuels de fabrication de matériaux semi-conducteurs à base de nitrure d'élément III reposent sur la technique dite d'hétéro-épitaxie qui consiste à faire croître un cristal - tel qu'un cristal de nitrure de gallium GaN - sur un substrat de départ de nature différente - tel qu'un substrat de saphir. Toutefois, la technique d'hétéro-épitaxie induit de nombreux défauts cristallins dans la structure de nitrure d'élément III, tels que des dislocations. Ces défauts cristallins limitent les performances et la durée de vie des composants à base de nitrure d'élément III. Ces défauts proviennent de la différence de matériau entre le substrat de départ (sur lequel est mise en œuvre la croissance de nitrure d'élément III) et la couche de nitrure d'élément III à partir de laquelle est fabriqué le composant semi-conducteur. Par exemple dans le cas de la fabrication d'une couche de nitrure de gallium, le substrat de départ généralement utilisé pour la croissance est du saphir dont les paramètres de réseau cristallin (i.e. paramètre de maille) et les paramètres d'expansion thermique sont très différents de ceux du nitrure de gallium GaN.
L'amélioration des techniques de fabrication permet aujourd'hui de fabriquer des couches à base de nitrure d'élément III présentant un nombre limité de défauts cristallins (densité de dislocation TDD < 5.108 cm"2, où « TDD » est le sigle de l'expression anglo-saxonne « Threading Dislocation Density »).
La plupart des procédés de fabrication actuels permettent d'obtenir des couches de nitrure d'élément III d'orientation (0001 ) - dite orientation polaire. En effet, ces procédés de fabrication utilisent des substrats saphir AI2O3 d'orientation (0001 ) pour faire croître les couches de nitrure d'élément III.
Les composants optoélectroniques réalisés sur des couches de nitrure d'élément III d'orientation polaire sont soumis à des effets de polarisation dus à la structure hexagonale du matériau. Ceci diminue considérablement le rendement de ces composants optoélectroniques, tel que le rendement quantique interne d'une diode électroluminescente (DEL) réalisée sur une couche de nitrure de gallium d'orientation polaire.
Depuis quelques années, de nombreux groupes de recherche se sont intéressés à d'autres orientations cristallines pour éliminer totalement (orientation non-polaire) ou partiellement (orientation semi-polaire) ces effets de polarisation. Toutefois, même si la croissance d'une couche de nitrure d'élément III sur un substrat saphir AI2O3 d'orientation non-polaire ou semi-polaire permet d'obtenir une couche de nitrure d'élément III d'orientation non-polaire ou semi-polaire, la qualité cristalline d'une telle couche d'orientation non-polaire ou semi-polaire n'est pas suffisante pour permettre la fabrication de composants optoélectroniques, notamment du fait de la présence de fautes d'empilement.
A l'heure actuelle, la seule méthode permettant d'obtenir une couche de nitrure d'élément III d'orientation non-polaire ou semi-polaire, dont la qualité est proche de celle des couches de nitrure d'élément III d'orientation polaire consiste à : - faire croître une couche 1 très épaisse de nitrure d'élément III d'orientation polaire et
- réaliser une découpe transversale de la couche de nitrure d'élément III d'orientation polaire pour obtenir :
o une tranche 2 de nitrure d'élément III d'orientation non-polaire ou o une tranche 3 de nitrure d'élément III d'orientation semi-polaire, et
- polir la tranche de nitrure d'élément III d'orientation non-polaire ou semi- polaire 2, 3. Cette méthode permet d'obtenir des tranches 2, 3 de nitrure d'élément III de surface comprise entre 1 et 5 cm2, ces tranches ayant une qualité sensiblement identique à celle des couches de nitrure d'élément III d'orientation polaire.
Toutefois, les faibles dimensions de ces tranches 2, 3 ne permettent pas une industrialisation de cette méthode.
Le document US 7 943 484 décrit un procédé de séparation d'une couche semi- conductrice incluant des composants optoélectroniques. Selon US 7 943 484, les procédé existants incluant une étape de séparation d'une couche fonctionnalisée par implantation présentent l'inconvénient d'induire une dégradation de la qualité de ladite couche. Pour pallier cet inconvénient, US 7 943 484 propose la mise en œuvre d'une étape de dépôt d'un masque imperméable aux ions d'implantation préalablement à l'étape d'implantation. Le document US 2009/14005 décrit un procédé de formation d'une couche de silicium, le procédé comprenant une étape de réalisation d'un masque incluant des ouvertures. Un but du document US 2009/14005 est de fournir un procédé permettant de réaliser les ouvertures du masque sans mettre en œuvre d'étape de gravure. Pour éviter cette étape de gravure, US 2009/14005 propose la mise en œuvre d'une étape d'implantation d'ion et d'une étape de recuit thermique pour former des ouvertures par exfoliation. Un but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication de couches de nitrure d'élément III, notamment d'orientation non-polaire ou semi- polaire :
- ayant les mêmes dimensions que les couches de nitrure d'élément III d'orientation polaire, et
- ayant une qualité sensiblement équivalente voire supérieure à celle des couches de nitrure d'élément III d'orientation polaire.
RESUME DE L'INVENTION
A cet effet, l'invention propose un procédé de fabrication d'une couche à base de nitrure d'élément III, par exemple à base de nitrure de gallium GaN,
remarquable en ce que le procédé comprend au moins les étapes suivantes :
- implantation d'ions de fragilisation dans un support de croissance, l'étape d'implantation permettant de créer une zone fragilisée,
- après l'étape d'implantation, le dépôt d'un masque diélectrique ou métallique sur le support de croissance, l'étape de dépôt comprenant le dépôt d'une couche diélectrique ou métallique sur toute la surface du support de croissance et la gravure de la couche diélectrique ou métallique de façon à former des ouvertures exposant des régions de la surface du support de croissance,
- croissance de la couche semi-conductrice à base de nitrure d'élément III, sur le support de croissance, par surcroissance épitaxiale latérale jusqu'à une épaisseur donnée suffisante pour induire une séparation spontanée au niveau de la zone fragilisée.
La combinaison des étapes d'implantation et de dépôt du masque permet d'une part d'améliorer la qualité de la couche de nitrure d'élément III déposée sur le support de croissance, et d'autre part d'affaiblir la liaison entre la couche de nitrure d'élément III et le support de croissance à l'interface entre ceux-ci. La croissance de la couche de nitrure d'élément III par surcroissance épitaxiale latérale (ELO) permet également d'améliorer la qualité de la couche de nitrure d'élément III. Enfin, l'utilisation d'un support de croissance présentant une surface de croissance d'orientation cristalline non-polaire ou semi-polaire, permet la croissance d'une couche de nitrure d'élément III d'orientation non-polaire ou semi-polaire de grandes dimensions.
On entend, dans le cade de la présente invention, par orientation cristalline non- polaire ou semi-polaire d'un matériau, toute orientation cristalline dans laquelle l'axe C [0001 ] forme un angle avec la normale à la surface de croissance du matériau.
Il sera entendu dans la suite que lorsqu'une couche A est mentionnée comme étant sur une couche B, celle-ci peut être directement sur la couche B, ou peut être située au-dessus de la couche B et séparée de ladite couche B par une ou plusieurs couches intermédiaires.
Il sera également entendu que lorsqu'une couche A est mentionnée comme étant sur une couche B, celle-ci peut couvrir toute la surface de la couche B, ou une portion de ladite couche B. a. Le document US 7 943 484 ne décrit pas un procédé dans lequel l'implantation est réalisée sur toute la surface d'un support de croissance. Au contraire dans US 7 943 484, l'implantation de la couche semi-conductrice a lieu sur des portions de sa surface (cf. US 7 943 484, colonne 2 lignes 30-31 ). Cette étape d'implantation est suivie d'une étape de traitement thermique pour permettre la diffusion latérale des ions d'implantation afin de créer un plan de fragilisation (cf. US 7 943 484, colonne 10 lignes 13-15).
Par ailleurs dans US 7 943 484, l'étape d'implantation n'est pas mise en œuvre avant le dépôt d'un masque de croissance latérale épitaxiale. Au contraire dans US 7 943 484, l'étape d'implantation est mise en œuvre après avoir réalisé un composant optoélectronique dans la couche semi-conductrice à séparer (et donc après l'étape de dépôt du masque). Une étape d'implantation permet de fragiliser une zone pour faciliter la séparation d'une couche semi-conductrice. Une surcroissance ELO permet d'améliorer la qualité du cristal épitaxié. Toutefois et comme indiqué dans votre demande, la combinaison des étapes d'implantation et de surcroissance ELO présente d'autres avantages ; notamment : i) le fait que l'étape d'implantation soit réalisée avant l'étape de surcroissance permet d'améliorer la qualité de la couche de GaN épitaxiée lors de l'étape de surcroissance ELO, notamment en termes de planéité, (outre son effet connu sur la facilité de séparation),
ii) le fait que l'étape de surcroissance ELO soit réalisée après l'implantation permet de fragiliser l'interface entre le support de croissance et la couche de GaN (outre son effet connu sur la qualité du cristal).
Ce cumul des effets de ces deux étapes lorsqu'elles sont mises en œuvre dans cet ordre n'est ni enseigné ni suggéré dans US 7 943 484. Au contraire, US 7 943 484 dissuade l'homme du métier éloigne l'homme du métier de la solution selon l'invention en lui enseignant que l'étape d'implantation doit être réalisée après l'étape de surcroissance.
Le document US 2009/14005 ne décrit pas un procédé dans lequel l'étape de dépôt d'un masque comprend le dépôt d'une couche de matériau diélectrique et la gravure de la couche de matériau diélectrique pour former des ouvertures.
Au contraire, US 2009/14005 propose de réaliser des ouvertures dans le masque par une technique d'exfoliation basée sur une étape d'implantation suivie d'une étape de traitement thermique pour former des zones exfoliées formant des fenêtres de croissance de sorte qu'aucune étape de gravure n'est mise en œuvre.
Le fait de déposer une couche de matériau diélectrique et de graver celle-ci pour former des ouvertures permet de maîtriser les directions et orientations des ouvertures pour permettre la mise en œuvre ultérieure de l'étape de croissance épitaxiale latérale.
US 2009/14005 dissuade l'homme du métier de réaliser une étape de gravure en lui enseignant que celle-ci est trop coûteuse et difficile à mettre en œuvre.
L'homme du métier partant de US 2009/14005, n'aurait donc pas été incité à réaliser une étape de gravure pour former des ouvertures puisque US 2009/14005 l'éloigné de cette solution (cf. US 2009/14005, paragraphe [0009]).
Des aspects préférés mais non limitatifs du procédé selon l'invention sont les suivants :
- le procédé comprend en outre une étape de formation du support de croissance par dépôt d'un film monocristallin à base de nitrure d'élément III sur un substrat cristallin d'orientation cristalline non-polaire ou semi-polaire ou polaire, l'implantation d'ions de fragilisation étant réalisée dans le film monocristallin de sorte à créer une zone fragilisée dans le film monocristallin ; - les ions de fragilisation sont choisis parmi le Tungstène, l'Hélium, le Néon, le Krypton, le Chrome, le Molybdène, le Fer, l'Hydrogène, ou le Bore ;
- les ions de fragilisation sont des ions de tungstène ;
ceci permet d'obtenir une décomposition chimique du nitrure d'élément III ainsi que la création de vide dans la zone fragilisée, ce qui contribue à l'affaiblissement de la liaison entre la couche de nitrure d'élément III et le support de croissance,
- l'étape d'implantation est réalisée de sorte que la zone fragilisée se situe à l'interface entre le support de croissance et le masque;
- l'étape d'implantation comprend l'implantation d'ions de fragilisation à une dose d'implantation comprise entre 1015 et 1017 cm"2 ;
- l'étape d'implantation comprend l'implantation d'ions de fragilisation à une énergie d'implantation comprise entre 5 keV et 200 keV, préférentiellement entre 75 KeV et 100 KeV ;
- la séparation spontanée au niveau de la zone fragilisée est mise en œuvre au cours du retour à la température ambiante après l'étape de croissance de la couche de nitrure d'élément III ;
ceci permet de limiter les risques de craquement de la couche de nitrure d'élément III du fait des contraintes mécaniques subies par celle-ci lors du refroidissement,
- le substrat cristallin est choisi parmi le saphir, ZnO, 6H-SiC, LJAIO2, LiGaO2, MgAI2O4, Si, GaAs, AIN, GaN, AIGaN ;
- le substrat cristallin est un substrat en saphir AI2O3 ;
ceci permet d'améliorer la qualité de la couche de nitrure d'élément III fabriquée sur celui-ci, - le substrat cristallin est un substrat en saphir AI2O3 d'orientation cristalline choisie parmi un plan R tel que le plan (1 -102) ou un plan M tel que le plan (10-10) ;
ceci permet d'orienter la croissance de la couche de nitrure d'élément III selon une orientation non-polaire ou semi-polaire ;
- le substrat cristallin est un substrat en saphir AI2O3 d'orientation cristalline choisie parmi un plan A tel que le plan (1 1 -20), ou un plan C (0001 ) ;
- l'étape de dépôt d'un masque (diélectrique ou métallique) comprend le dépôt d'une couche (de diélectrique ou de métal) et la gravure de la couche (de diélectrique ou de métal) pour former des ouvertures, le nombre et les dimensions des ouvertures étant prévus de sorte que la proportion de surface de film monocristallin recouverte par le matériau (diélectrique ou métallique) soit comprise entre 20 et 95 % de la surface totale du film monocristallin, et de préférence entre 50 et 95% ;
ceci permet d'améliorer la qualité de la couche de nitrure d'élément III fabriquée sur le support de croissance, notamment en filtrant un grand nombre de dislocations traversantes issues du support de croissance,
- les ouvertures sont en forme de bande de largeur inférieure à 10 micromètres ;
ceci permet de faciliter la mise en œuvre de l'étape de dépôt du masque,
- le rapport de :
o l'espacement entre deux ouvertures successives, divisé par
o la largeur d'une ouverture,
est compris entre deux et dix ;
ceci permet d'améliorer encore la qualité de la couche de nitrure d'élément III en filtrant les défauts cristallins présents dans le support de croissance,
- le masque est un masque diélectrique, le matériau constituant le masque diélectrique étant du SiNx ou du SiO2 ou du TiN;
ceci permet d'améliorer la qualité de la couche de nitrure d'élément III en limitant les défauts en bord de masque ; en variante, le masque peut être un masque métallique, le matériau constituant le masque étant du W, du Mo ou du Cr ;
- l'étape de formation d'un film monocristallin est effectuée par :
o épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM), o épitaxie par jet moléculaire (EJM),
o épitaxie phase vapeur aux hydrures (EPVH),
o épitaxie en phase liquide (EPL) ;
- l'étape de formation d'un film monocristallin est effectuée par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM) ;
ceci permet d'améliorer la qualité de la couche de nitrure d'élément III en minimisant dès le début du procédé la densité de défauts présents dans le support de croissance préalablement à la croissance de la couche de nitrure d'élément III ;
- le support comporte une surface de croissance d'orientation cristalline non- polaire ou semi-polaire.
L'invention concerne également un support de croissance incluant une surface de croissance d'orientation cristalline non-polaire ou semi-polaire ou polaire, remarquable en ce qu'il comprend une zone fragilisée par implantation d'ions de fragilisation.
De préférence le support de croissance comprend un film monocristallin à base de nitrure d'élément III sur un substrat cristallin d'orientation cristalline non-polaire ou semi-polaire ou polaire, la zone fragilisée s'étendant dans le film monocristallin.
Le support de croissance peut également comprendre un masque (diélectrique ou métallique) sur la surface de croissance. L'invention concerne également une couche semi-conductrice à base de nitrure d'élément III non-polaire ou semi-polaire, ladite couche étant susceptible d'être obtenue par le procédé décrit ci-dessus. Dans tous les cas, cette couche comprend :
- une densité de défaut comprise entre 1 et 5xio9, et/ou
- une densité de fautes d'empilement comprise entre 1 et 5x105 cm"1, et préférentiellement
- une rugosité de surface comprise entre 3nm et 10nm. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres avantages et caractéristiques du procédé selon l'invention et du produit associé ressortiront mieux de la description qui va suivre de plusieurs variantes d'exécution, données à titre d'exemples non limitatifs, à partir des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 illustre différentes orientations (i.e. semi-polaire et non-polaire) dans un cristal de nitrure de gallium ;
- la figure 2 illustre un mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'une couche à base de nitrure d'élément III ;
- la figure 3 illustre un autre mode de réalisation du procédé de fabrication d'une couche à base de nitrure d'élément III.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
On va maintenant décrire plus en détail le procédé selon l'invention en référence à la croissance d'une couche de nitrure de gallium GaN permettant de produire des diodes électroluminescentes. Toutefois, il est bien évident pour l'homme du métier que le procédé décrit ci-après peut être utilisé pour faire croître un matériau à base de nitrure d'élément III autre que du nitrure de gallium, ce matériau pouvant être utilisé pour réaliser d'autres structures semi-conductrices que des diodes électroluminescentes. 1. Principe général
On a illustré à la figure 2 les étapes d'un procédé permettant de réaliser une couche de nitrure de gallium autosupportée par dépôt de nitrure de gallium sur un support de croissance.
De manière générale, l'opération de dépôt comporte les étapes suivantes successivement :
- une étape d'implantation 10 d'ions de fragilisation dans le support de croissance, - au moins une étape de surcroissance épitaxiale latérale 20 (ou « ELO », sigle de l'expression anglo-saxonne « Epitaxial Latéral Overgrowth ») sur le support de croissance pour épitaxier une couche de nitrure de gallium d'orientation non-polaire ou semi-polaire, et
- une étape de séparation 30 de la couche de nitrure de gallium d'orientation non-polaire ou semi-polaire de son support de croissance.
Le support de croissance peut être constitué d'un unique matériau. Par exemple le support de croissance peut être une couche de nitrure de gallium.
En variante, le support de croissance peut être constitué d'un empilement de couches. Par exemple, le support de croissance peut être constitué d'un empilement incluant une couche de nitrure de gallium sur une couche de nitrure d'aluminium sur un substrat saphir.
1.1. Implantation/séparation
L'étape d'implantation 10 permet de créer une zone fragilisée à l'interface entre le support de croissance et la couche de nitrure de gallium.
La présence de cette zone fragilisée induit la séparation spontanée de la couche de nitrure de gallium de son support de croissance.
Cette séparation spontanée est due au cycle thermique (épitaxie à haute température suivie d'un refroidissement à température ambiante) que subit la couche de nitrure de gallium lors de l'étape de surcroissance ELO qui succède à l'étape d'implantation.
De préférence, les ions de fragilisation implantés lors de l'étape d'implantation sont des ions de tungstène.
Ceci permet une décomposition locale du support de croissance dans la région implantée, notamment dans le cas où celui-ci inclut une couche de nitrure de gallium. En effet, les ions tungstène permettent de décomposer des matériaux tels que le nitrure de gallium.
12. Surcroissance épitaxiale latérale
L'étape de surcroissance ELO 20 permet de minimiser la densité de défauts contenus dans la couche de nitrure de gallium.
L'approche utilisée pour réduire la densité de dislocations dans la couche de nitrure de gallium GaN consiste à :
- initier un mode de croissance du nitrure de gallium GaN par îlot, puis à
- favoriser la coalescence des îlots pour obtenir la couche de nitrure de gallium GaN,
- continuer la croissance de la couche de nitrure de gallium GaN jusqu'à obtention de l'épaisseur souhaitée.
L'étape de surcroissance ELO peut être basée :
- sur l'utilisation d'un masque diélectrique ou métallique incluant des ouvertures dans lesquelles se forment les îlots, tel que décrit dans le document WO99/20816 ;
- sur l'utilisation d'une couche de diélectrique ou de métal dépourvue d'ouverture sur laquelle se forment spontanément des îlots, tel que décrit dans le document EP 1 338 683 (voir exemple 5). Outre les avantages mentionnés ci-dessus, la combinaison des étapes successives d'implantation et de surcroissance ELO présente de nombreux avantages.
En effet, le fait que l'étape d'implantation soit réalisée avant l'étape de surcroissance ELO permet d'améliorer la qualité de la couche de nitrure de gallium épitaxiée lors de l'étape de croissance ELO, notamment en termes de planéité.
Par ailleurs, le fait que l'étape de surcroissance ELO soit réalisée après l'implantation permet de fragiliser l'interface entre le support de croissance et la couche de nitrure de gallium. 2. Variante de réalisation
En référence à la figure 3, on a illustré une variante de réalisation d'un procédé de fabrication d'une couche de nitrure de gallium d'orientation non-polaire ou semi- polaire à partir d'un substrat initial.
Le procédé comprend les étapes suivantes :
- Dépôt 40 d'un film monocristallin 5 sur un substrat initial 4 pour obtenir un support de croissance 6,
- Implantation 50 d'ions de fragilisation dans un support de croissance 6,
- Dépôt 60 d'un masque 8 diélectrique ou métallique sur le support de croissance 6,
- Croissance 70 d'une couche de nitrure de gallium 9 sur le support de croissance 6,
- Séparation 80 de la couche de nitrure de gallium 9.
2.1. Substrat Le substrat initial 4 peut présenter une épaisseur de quelques centaines de micromètres - généralement 350 micromètres - et être traité par nitruration préalablement à toute étape de dépôt de nitrure de gallium.
Le substrat initial 4 peut être choisi parmi Si, AIN, GaN, GaAs, AI2O3 (saphir), ZnO, SiC, LiAIO2, LiGaO2, MgAI2O4, 4H-SiC, ou tout autre type de substrat initial connu par l'homme du métier pour mettre en œuvre une croissance de nitrure de gallium.
Dans le mode de réalisation illustré à la figure 3, le substrat initial 4 est un substrat saphir. Ceci permet d'améliorer la qualité optoélectronique de la couche de nitrure de gallium fabriquée sur celui-ci.
L'orientation des nitrures dans la couche de nitrure de gallium dépend de l'orientation cristalline du substrat initial 4 sur lequel la croissance est réalisée. Le substrat initial 4 peut présenter une orientation cristalline dans un plan R (1 -102) ou dans un plan M (10-10).
Dans le cas d'un saphir initial 4 d'orientation cristalline dans un plan R, le nitrure de galliunn croît suivant la direction dite non-polaire A [1 1 -20]. On obtient alors une couche de nitrure de galliunn d'orientation non-polaire.
Dans le cas d'un saphir initial 4 d'orientation cristalline dans un plan M, on obtient une couche de nitrure de galliunn d'orientation semi-polaire [1 1 -22], ou (1 -103).
Le substrat initial 4 peut également présenter d'autres orientations cristallines telles qu'une orientation cristalline polaire C(0001 ), ou encore une orientation cristalline dans un plan A (1 1 -20). 2.2. Formation du film monocristallin
Le procédé comprend une étape de formation d'une couche tampon sur le substrat initial suivie d'une étape de formation d'un film de nitrure de gallium, l'ensemble constituant le film de nitrure de gallium 5 représenté en figure 3, étape de formation 40.
Cette étape de formation d'un film de nitrure de gallium 5 peut être réalisée par :
- épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM),
- épitaxie par jet moléculaire (EJM),
- épitaxie phase vapeur aux hydrures (EPVH),
- épitaxie en phase liquide (EPL).
Dans le mode de réalisation illustré à la figure 3, la formation du film de nitrure de gallium 5 est effectuée par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM). Ceci permet de filtrer les défauts cristallins et ainsi de minimiser dès le début du procédé la densité de défauts qui sera présente dans la couche de nitrure de gallium épitaxiée par la suite. L'épaisseur du film de nitrure de gallium 5 peut être comprise entre 0.1 et 20 μιτι, préférentiellement entre 1 et 2.5 μιτι, et encore plus préférentiel lement de l'ordre de 2 μιτι. Dans d'autres variantes de réalisation, l'étape de formation d'une couche tampon peut également comprendre une étape de dépôt d'une couche de nitrure d'aluminium, par exemple dans le cas d'un substrat initial de silicium.
La formation d'une couche tampon incluant une couche de nitrure d'aluminium AIN permet d'améliorer la qualité de la couche de nitrure de gallium GAN déposée ultérieurement, notamment dans le cas d'un substrat initial de Si qui présente un coefficient d'expansion thermique très différent du nitrure de gallium.
2.3. Etape d'implantation
A l'issue de l'étape de formation du film de nitrure de gallium 5 sur le substrat initial 4, on obtient le support de croissance 6 pour la croissance de la couche de nitrure de gallium non-polaire ou semi-polaire. Une implantation 50 d'ions de fragilisation est mise en œuvre dans ce support de croissance 6. Cette implantation 50 permet la création d'une zone fragilisée 7 au niveau de la face supérieure du support de croissance 6.
Les ions implantés peuvent être choisis parmi le Tungstène, l'Hélium, le Néon, le Krypton, le Chrome, le Molybdène, le Fer, l'Hydrogène, ou le Bore.
De préférence, les ions implantés sont des ions de tungstène. Ceux-ci présentent la particularité de décomposer le nitrure de gallium. En termes de dose en ions de fragilisation, lorsque les ions implantés sont des ions tungstène, la dose d'ions implantés peut être comprise entre 1015 et 1017 cm-2, et la profondeur d'implantation peut varier entre 10 nm et 100 nm en partant de la surface libre 61 - appelée surface de croissance - du support de croissance 6. L'implantation 50 d'ions de fragilisation peut être mise en œuvre lors d'une étape unique ou lors d'étapes successives. La température peut être comprise entre 4K et 1000K lors de l'étape d'implantation. Dans tous les cas, l'étape d'implantation 50 est réalisée de sorte que la zone fragilisée 7 se situe à l'interface entre le support de croissance 6 et le masque 8.
2.4. Dépôt du masque Après l'implantation, un masque 8 est déposé (étape 60) sur le support de croissance 6.
Ce masque 8 permet d'une part de fragiliser l'interface entre le support de croissance 6 et le masque 8, et d'autre part d'améliorer la qualité de la couche de nitrure de gallium 9 épitaxiée sur celui-ci lors d'une étape de croissance ultérieure 70 (en filtrant les défauts traversants du support de croissance).
Le masque peut être un masque en matériau diélectrique ou métallique. Lorsque le masque est un masque diélectrique, le matériau le constituant est de préférence du type SiNx ou de SiO2 ou de TiN. Ceci permet de minimiser les défauts créés en bord de masque et améliore ainsi la qualité de la couche de nitrure de gallium 9 épitaxiée ultérieurement sur celui-ci. Lorsque le masque est un masque métallique, le matériau le constituant est de préférence du type Tungstène (W) ou Molybdène (Mo) ou Chrome (Cr).
Le dépôt 60 du masque 8 peut être réalisé dans la chambre de croissance du nitrure de gallium à partir de silane et d'ammoniac directement sur le support de croissance décrit ci-dessus. Le dépôt 60 du masque 8 peut être réalisé par toute technique connue de l'homme du métier. Par exemple, dans un mode de réalisation l'étape de dépôt du masque (diélectrique ou métallique) comprend :
- le dépôt d'une couche (de diélectrique ou de métal) sur toute la surface du support de croissance, et - la gravure de la couche (de diélectrique ou de métal) - notamment par photolithographie - de façon à définir des ouvertures 81 dans la couche (de diélectrique ou de métal) exposant des régions micrométriques de la surface de croissance du support de croissance.
Les ouvertures 81 définies lors de la gravure peuvent être ponctuelles ou sous forme de bandes. Avantageusement, les ouvertures ponctuelles peuvent être inscrites dans un cercle de rayon inférieur à 10 micromètres, tandis que les ouvertures en forme de bande ont une largeur inférieure à 10 micromètres, la longueur des bandes n'étant limitée que par les dimensions du support de croissance.
Lorsque les ouvertures 81 sont en forme de bande, l'espacement entre deux ouvertures 81 adjacentes peut être deux à dix fois plus important que la largeur de l'ouverture. Ceci permet d'améliorer la qualité de la couche de nitrure de gallium épitaxiée sur celui-ci lors de l'étape de croissance ultérieure.
En effet, plus l'espacement entre deux ouvertures adjacentes est important, plus le masque permet de bloquer les défauts - comme les fautes d'empilement et les dislocations traversantes - présents dans le support de croissance.
Dans tous les cas, l'espacement entre les ouvertures est prévu de sorte à permettre l'épitaxie localisée de nitrure de gallium puis la croissance anisotrope et latérale de nitrure de gallium. 2.5. Croissance de la couche de nitrure de gallium
Une fois le masque 8 déposé, une étape de croissance 70 de la couche de nitrure de gallium 9 est mise en œuvre. L'étape de croissance 70 est réalisée par ELO. Ceci permet d'améliorer la qualité de la couche de nitrure de gallium GaN en réduisant la densité de dislocations et de fautes d'empilements qui se propagent dans une zone restreinte à partir des ouvertures du masque. Le principe de croissance ELO est par exemple le suivant. Lors de l'épitaxie de la couche de nitrure de gallium GaN 9, le nitrure de gallium croît préférentiellement dans les ouvertures du masque par épitaxie sur le nitrure de gallium 5. Les paramètres de croissance sont ajustés pour que le nitrure de gallium GaN se développe latéralement. Cette croissance latérale se poursuit, jusqu'à recouvrir progressivement les zones couvertes du masque sans y adhérer.
Cette zone de croissance latérale au dessus du masque est exempte de dislocations et de fautes d'empilements puisqu'elle se développe selon une direction formant un angle avec la direction des défauts. La coalescence intervient lorsque les fronts de croissance de deux cristaux adjacents se rencontrent en formant un joint de coalescence, à l'aplomb des bandes de diélectrique. La croissance de la couche de nitrure de gallium 9 est ensuite poursuivie jusqu'à l'obtention d'une épaisseur de nitrure de gallium GaN désirée (croissance 2D).
Lors de cette étape de croissance 70 de la couche de nitrure de gallium GaN 9, les ions de fragilisation implantés diffusent vers l'interface entre la surface du support de croissance et le masque.
Les ions de fragilisation induisent une décomposition du nitrure de gallium déposé sur le substrat de saphir et la création de vides à l'interface entre le support de croissance et le masque.
Le résultat est l'affaiblissement du nitrure de gallium dans cette zone d'interface.
La séparation spontanée au niveau de la zone fragilisée a lieu du fait du cycle thermique (haute température puis refroidissement) que subit la couche de nitrure de gallium après l'étape d'implantation.
On obtient alors :
- le support de croissance 6 d'une part et
- la couche de nitrure de gallium autosupportée 9 d'autre part. Cette couche de nitrure de gallium GaN autosupportée 9 peut ensuite être traitée par polissage mécanique ou chimique pour permettre son utilisation ultérieure comme substrat de nitrure de gallium GaNT
Elle peut ensuite être utilisée pour la fabrication de composants électroniques ou optoélectroniques tels que des diodes laser, des diodes électroluminescentes, des photo-détecteurs, des transistors, etc. Un autre avantage de la présente invention par rapport à l'état de la technique est qu'elle permet de réutiliser plusieurs fois le support de croissance 6 (et plus précisément le substrat de saphir 4 dans le cas du procédé illustré à la figure 3) après séparation de la couche de nitrure de gallium 9, repolissage et éventuellement reprise de croissance du film monocristallin 5.
L'homme du métier aura compris que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé décrit ci-dessus sans sortir matériellement des nouveaux enseignements présentés ici. II est donc bien évident que les exemples qui viennent d'être donnés ne sont que des illustrations particulières en aucun cas limitatives.

Claims

REVENDICATIONS
Procédé de fabrication d'une couche à base de nitrure d'élément III, par exemple à base de nitrure de gallium GaN,
caractérisé en ce que le procédé comprend au moins les étapes suivantes :
- implantation (10, 50) d'ions de fragilisation dans un support de croissance (6), l'étape d'implantation permettant de créer une zone fragilisée (7),
- après l'étape d'implantation, le dépôt (60) d'un masque diélectrique ou métallique (8) sur le support de croissance (6), l'étape de dépôt (60) comprenant le dépôt d'une couche diélectrique ou métallique sur toute la surface du support de croissance (6) et la gravure de la couche diélectrique ou métallique de façon à former des ouvertures (81 ) exposant des régions de la surface du support de croissance (6),
croissance (20, 70) de la couche semi-conductrice (9) à base de nitrure d'élément III, sur le support de croissance (6), par surcroissance épitaxiale latérale (ELO) jusqu'à une épaisseur donnée suffisante pour induire une séparation spontanée (80) au niveau de la zone fragilisée (7).
Procédé de fabrication selon la revendication 1 , lequel comprend en outre une étape de formation du support de croissance (6) par dépôt (40) d'un film monocristallin (5) à base de nitrure d'élément III sur un substrat cristallin (4) d'orientation cristalline non-polaire ou semi-polaire ou polaire, l'implantation d'ions de fragilisation étant réalisée dans le film monocristallin (5) de sorte à créer une zone fragilisée (7) dans le film monocristallin (5).
Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel les ions de fragilisation sont choisis parmi le Tungstène, l'Hélium, le Néon, le Krypton, le Chrome, le Molybdène, le Fer, l'Hydrogène, ou le Bore.
Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel les ions de fragilisation sont des ions de Tungstène.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape d'implantation (10, 50) est réalisée de sorte que la zone fragilisée (7) se situe à l'interface entre le support de croissance (6) et le masque (8). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape d'implantation (10, 50) comprend l'implantation d'ions de fragilisation à une dose d'implantation comprise entre 1015 et 1017 cm"2.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape d'implantation (10, 50) comprend l'implantation d'ions de fragilisation à une énergie d'implantation comprise entre 5 KeV et 200 KeV, préférentiellement entre 75 keV et 100 keV.
8. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la séparation spontanée (80) au niveau de la zone fragilisée (7) est mise en œuvre par un retour à la température ambiante après l'étape de croissance (20, 70) de la couche de nitrure d'élément III (9).
9. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le substrat cristallin (4) est choisi parmi le saphir, ZnO, 6H-SiC, LJAIO2, LiGaO2,
MgAI2O4, Si, GaAs, AIN, GaN, AIGaN.
10. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel le substrat cristallin (4) est un substrat en saphir AI2O3.
1 1 . Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel le substrat cristallin (4) est un substrat en saphir AI2O3 d'orientation cristalline choisie parmi un plan R tel que le plan (1 -102) ou un plan M tel que le plan (10-10). 12. Procédé de fabrication selon la revendication 10, dans lequel le substrat cristallin (4) est un substrat en saphir AI2O3 d'orientation cristalline choisie parmi un plan A tel que le plan (1 1 -20), ou un plan C (0001 ).
13. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de dépôt (60) d'un masque (8) comprend le dépôt d'une couche et la gravure de la couche pour former des ouvertures (81 ), le nombre et les dimensions des ouvertures (81 ) étant prévus de sorte que la proportion de surface de film monocristallin (5) recouverte par le matériau diélectrique soit comprise entre 20 et 95 % de la surface totale du film monocristallin, et de préférence entre 50 et 95%.
14. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel les ouvertures sont en forme de bande de largeur inférieure à 10 micromètres. 15. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel le rapport de :
- l'espacement entre deux ouvertures successives, divisé par
- la largeur d'une ouverture,
est compris entre deux et dix.
16. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le masque est un masque diélectrique, le matériau constituant le masque diélectrique étant du SiNx ou du SiO2 ou du TiN. 17. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de formation (40) d'un film monocristallin (5) est effectuée par :
- épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM),
- épitaxie par jet moléculaire (EJM),
- épitaxie phase vapeur aux hydrures (EPVH),
- épitaxie en phase liquide (EPL).
18. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de formation (40) d'un film monocristallin (5) est effectuée par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM).
19. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le support (6) comporte une surface de croissance (61 ) d'orientation cristalline non-polaire ou semi-polaire.
20. Couche semi-conductrice (9) à base de nitrure d'élément III non-polaire ou semi- polaire ou polaire, caractérisée en ce qu'elle est susceptible d'être obtenue par le procédé selon l'une des revendications 1 à 19, ladite couche étant semi-polaire ou non polaire ou polaire et de diamètre supérieur ou égal à 50,8 millimètres.
21 . Couche semi-conductrice (9) selon la revendication 20, laquelle comprend :
- une densité de défaut comprise entre 1 et 5xio9, et/ou
- une densité de fautes d'empilement comprise entre 1 et 5x105 cm"1.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113261076A (zh) * 2018-12-26 2021-08-13 汉阳大学校产学协力团 利用离子注入制造氮化镓衬底的方法
FR3112238A1 (fr) 2020-07-06 2022-01-07 Saint-Gobain Lumilog Substrat semi-conducteur avec couche d’interface nitruree

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999020816A1 (fr) 1997-10-20 1999-04-29 Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) Procede de realisation d'une couche epitaxiale de nitrure de gallium
EP1724826A1 (fr) * 2005-05-20 2006-11-22 Commissariat A L'energie Atomique Procédé de détachement d'un film mince
US20090014005A1 (en) 2007-07-11 2009-01-15 Mackinnon Stuart Air filter device
US20090149005A1 (en) * 2004-11-29 2009-06-11 Commissariat A L'energie Atomique Method for making a dismountable substrate
US7943484B2 (en) 2005-09-01 2011-05-17 Osram Opto Semiconductors Gmbh Method for laterally cutting through a semiconductor wafer and optoelectronic component

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999020816A1 (fr) 1997-10-20 1999-04-29 Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) Procede de realisation d'une couche epitaxiale de nitrure de gallium
EP1338683A2 (fr) 1997-10-20 2003-08-27 Lumilog Procédé de réalisation d'une couche épitaxiale de nitrure de gallium
US20090149005A1 (en) * 2004-11-29 2009-06-11 Commissariat A L'energie Atomique Method for making a dismountable substrate
EP1724826A1 (fr) * 2005-05-20 2006-11-22 Commissariat A L'energie Atomique Procédé de détachement d'un film mince
US7943484B2 (en) 2005-09-01 2011-05-17 Osram Opto Semiconductors Gmbh Method for laterally cutting through a semiconductor wafer and optoelectronic component
US20090014005A1 (en) 2007-07-11 2009-01-15 Mackinnon Stuart Air filter device

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113261076A (zh) * 2018-12-26 2021-08-13 汉阳大学校产学协力团 利用离子注入制造氮化镓衬底的方法
FR3112238A1 (fr) 2020-07-06 2022-01-07 Saint-Gobain Lumilog Substrat semi-conducteur avec couche d’interface nitruree
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