Réalisation de substrats innovants à partir de diamant

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Submitted on 8 Dec 2020

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Réalisation de substrats innovants à partir de diamant

Jon de Vecchy

To cite this version:

Jon de Vecchy. Réalisation de substrats innovants à partir de diamant. Micro et nanotechnolo-gies/Microélectronique. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2020. Français. �NNT : 2020GRALT022�. �tel-03047315�

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THÈSE

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE LA COMMUNAUTE UNIVERSITE

GRENOBLE ALPES

Spécialité : Nano Électronique et Nano Technologies Arrêté ministériel : 25 mai 2016

Présentée par

Jon DE VECCHY

Thèse dirigée par Julien PERNOT, Professeur, Communauté Université Grenoble Alpes

et codirigée par Léa DI CIOCCIO, Ing. Rech. CEA

préparée au sein du CEA-LETI – Laboratoire d’Intégration et de Transfert de Film (LIFT)

dans l'École Doctorale Électronique, Électrotechnique, Automatique, Traitement du Signal (EEATS)

Élaboration de substrats

innovants à partir de diamant

Thèse soutenue publiquement le « 02 juillet 2020 », devant le jury composé de :

Monsieur Etienne GHEERAERT

Professeur, Université Grenoble Alpes (France), Président du jury

Monsieur Esidor NTSOENZOK

Professeur, CEMHTI Orléans (France), Rapporteur

Monsieur Jocelyn ACHARD

Professeur, LSPM Paris 13 Nord (France), Rapporteur

Monsieur Samuel SAADA

IGR, CEA-LIST (France), Examinateur

Monsieur Ken HAENEN

Professeur, Hasselt University (Belgique), Examinateur

Monsieur Julien PERNOT

Professeur, Université Grenoble Alpes (France), Directeur de thèse

Madame Léa DI CIOCCIO

IGR, CEA-LETI (France), Co-directrice de thèse

Madame Julie WIDIEZ

IGR, CEA-LETI (France), Invité

Monsieur Frédéric MAZEN

IGR, CEA-LETI (France), Invité

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Résumé

Au sein d'un objectif global de réduction de la consommation énergétique, les composants de mi-croélectronique se doivent d'être plus performants tout en étant moins énergivores. L'électronique de puissance, dont la fonction est la conversion de l'énergie électrique, est particulièrement concernée puisque ses composants doivent fonctionner à haute intensité, tension et température. Dans ces condi-tions, le silicium qui les constitue atteint ses limites et la conception de composants faits de matériaux plus adaptés est en plein essor. Parmi les matériaux candidats, le diamant et ses propriétés hors du com-mun est particulièrement étudié. Son excellente conductivité thermique (2200 W m=1_K=1_{) combinée}

à son très fort champ de claquage (10 MV cm=1_{) et à la grande mobilité des trous (2000 cm}2_V=1_s=1₎

sont promesses de composants plus petits et plus performants.

Cependant, les méthodes de synthèse limitent la taille des substrats de diamant monocristallin à une dizaine de mm2 _{et empêchent encore son industrialisation. L'approche développée dans cette}

thèse est le report de lm de diamant sur un autre substrat en adaptant le procédé Smart CutTM_{. Ce}

procédé repose sur la combinaison d'une implantation ionique et d'un collage du substrat implanté sur un substrat receveur. Un recuit permet la fracture du substrat implanté et le détachement d'un lm d'épaisseur contrôlée qui se retrouve reporté sur le substrat receveur. Cette approche permettrait de réduire les coûts du composant en diminuant la consommation de diamant tout en ouvrant la voie à l'industrialisation grâce à des reports successifs sur substrat grand format.

Le Smart CutTM _{doit être intégralement adapté au cas du diamant, des études de chaque brique}

technologique seront donc présentées. L'obtention de bulles à la surface du substrat implanté après recuit traduit l'adaptation des conditions d'implantation. Le procédé de bullage par plusieurs combi-naisons d'implantation ionique d'hydrogène et de recuit sera donc d'abord présenté. Les transforma-tions du diamant durant le procédé seront caractérisées. Des essais complets de transfert en utilisant du collage seront ensuite présentés. Enn, des perspectives d'optimisation et de réalisation seront données.

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Remerciements

Tout d'abord, je tiens à remercier messieurs Jocelyn Achard, Esidor Ntsoenzok, Ken Haenen et Samuel Saada d'avoir accepté de faire partie de mon jury de thèse.

Je remercie ensuite Florence Servant et Jean-Sébastien Moulet pour leur accueil au sein du LIFT (Laboratoire d'Intégration et de Transfert de Film), anciennement LSA, au sein duquel la thèse a pu se dérouler.

J'adresse de chaleureux remerciements à mes deux directeurs de thèse, Julien Pernot et Léa Di Cioccio. Vos conseils avisés et votre complémentarité m'ont été très précieux et l'accomplissement de la thèse n'aurait pas été possible sans vous. Tout va de pair dans cette thèse, je remercie donc tout aussi chaleureusement mes deux encadrants, Julie Widiez et Fred Mazen. Merci à vous deux pour vos conseils de lière (Julie) et d'implanteur (Fred) ainsi que votre soutien dans les moments de creux. Un remerciement particulier à Lamine Benaissa pour m'avoir accueilli en stage et mis en selle dans cette thèse, que la réussite soit avec toi !

Une salve de remerciements pour tous ceux qui m'ont apporté leur aide au quotidien. Je pense notamment aux "implanteurs" (Fred, Manu, Marianne, Laurent, Cédric, Kévin, Floch), qui ont su se montrer disponibles et d'une patience exemplaire avec mes petits échantillons (et qui n'ont plus rien à envier aux meilleurs chercheurs de diamant de la planète). Merci également à Pierre Perreault et Grégory Enyedi pour leur aide pour les collages, à Richard Haettel pour l'accès au four de recuit et à toute l'équipe de la plateforme de caractérisation : Névine Rochat, Jean-Paul Barnes, François Pierre, Nicolas Vaxelaire, Christophe Licitra, Denis Mariolle, Olivier Renault et Lukasz Borowik. Merci éga-lement à François Rieutord et Samuel Tardif pour les sessions ESRF. Enn, gracias a José Piñero, Fernando Lloret pour les analyses TEM et particulièrement à Daniel Araújo pour avoir accepté d'être présent dans le jury en tant qu'invité.

J'en arrive aux remerciements plus informels et bien évidemment, en plus de Florence, JS, Lamine et Julie, je pense à toute l'équipe du LIFT/LSA (présents comme ancients) et les remercie pour tous ces moments de bonne humeur, à l'intérieur comme à l'extérieur du CEA : Amandine, Christophe, Nico (le roi du montage), Nico (le roi des croissants), Lucile, Lucie, Christine, Béa, Émilie, Emma-nuels A & R, Emmanuelle, Thierrys S & F, Krem, Amal, Chantal, Estelle, Ismo, Thomas (le roi de la musique), Adrien (le roi de l'embuscade), Bastien (qui me suit décidément partout), Paul (le roi des riders), Georoy, Georey (pas LIFT mais non moins important pour moi), Ivan, Baptiste, Cath, Charlotte, Aurélien, Flavia, Cédric, Lyvia, Trang, Céline ou encore Bastien L. Merci aussi à l'équipe CNRS, notamment pour l'accueil de n de thèse : Cédric, Juliette (bravo à vous !), Gauthier, David, Étienne ou encore Khaled. De bien belles et grandes équipes avec qui je garde beaucoup de souvenirs, passés comme à venir (autour d'un verre ou d'un concert) !

Une mention spéciale pour les membres de l'illustre et honorique "Comité des Thésards" : Jojo, Anthony, Julien et Guillaume. Merci beaucoup pour toutes ces discussions, sérieuses comme absurdes (souvent absurdes quand même), ces conseils, ces cafés de debrief en tout genre, ces fous rires. On en aura traversé des épreuves de thésard ensemble !

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Enn, merci aussi à tous ceux qui font ma vie en dehors du CEA et particulièrement la famille matériaux (les montpelliérains originels mais aussi tous ceux qui ont rejoint la grande famille depuis), la famille musique et la famille sud ouest (milesker pour le coup). Avoir de tels amis aide à garder le cap. Un dernier merci, le plus important, à ma famille, qui me soutient depuis le début et sans qui je n'aurais pu arriver jusqu'à ces dernières lignes.

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Table des matières

Introduction générale 11

1 Le diamant pour l'électronique de puissance : forces, faiblesses et solutions

envisa-gées 13

1.1 Situation actuelle : un potentiel encore partiellement inexploité . . . 14

1.1.1 Les besoins de l'électronique de puissance de demain . . . 14

1.1.2 Comparatif des matériaux candidats à l'électronique de puissance . . . 14

Le SiC . . . 15

Le GaN . . . 15

Le diamant . . . 15

Comparatif appliqué à l'électronique de puissance . . . 16

1.1.3 Les composants en diamant . . . 18

1.1.4 Les problématiques actuelles du diamant . . . 20

1.2 Le Smart Cuttm_{: une technique de transfert de couches minces} _{. . . .} ₂₁

1.2.1 Principe et description de la technique . . . 21

1.2.2 Cas classique du silicium. . . 22

1.2.3 Cas du diamant. . . 26

1.2.3.1 La famille des matériaux carbonés . . . 26

Matériaux hybridés sp . . . 26

Matériaux hybridés sp2 _{. . . .} ₂₆

Matériaux hybridés avec un mélange sp2 _{et sp}3 _{. . . .} ₂₇

1.2.3.2 L'implantation ionique. . . 28

1.2.3.3 Le collage . . . 33

1.2.3.4 Les autres méthodes de transfert . . . 36

1.3 Positionnement de l'étude . . . 41

1.3.1 Objectifs techniques . . . 41

1.3.2 Réalisations envisagées . . . 41

2 La recherche de procédés de bullage du diamant 43 2.1 Méthodologie de recherche du bullage et techniques d'analyses . . . 44

2.1.1 Substrats employés . . . 44 2.1.2 Procédés employés . . . 45 2.1.2.1 Implantation ionique. . . 45 2.1.2.2 Recuits . . . 46 2.1.3 Plan d'expérience . . . 46 2.1.4 Méthodes de caractérisation . . . 47

2.2 La recherche du bullage dans le diamant par une combinaison d'implantation ionique et de recuit . . . 48

2.2.1 Étude de la première implantation . . . 48

2.2.1.1 Observations générales. . . 48

2.2.1.2 Structure du diamant implanté . . . 49

2.2.1.3 Identications de défauts caractéristiques . . . 51

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TABLE DES MATIÈRES

2.2.1.5 Conclusions partielles et hypothèses . . . 54

2.2.2 Étude du recuit post-implantation . . . 55

2.2.2.2 Microstructure du diamant implanté et recuit . . . 57

2.2.2.3 Propriétés optiques du diamant implanté et recuit . . . 66

2.2.2.4 Comportement de l'hydrogène . . . 73

2.2.2.5 Conclusions des premières études de bullage. . . 74

2.3 L'obtention du bullage dans le diamant pré-amorphisé . . . 76

2.3.1 Description du nouveau procédé d'implantation et de recuit . . . 76

2.3.2 Étude de la seconde implantation . . . 77

2.3.3 Étude du second recuit. . . 79

2.3.3.2 Description des exfoliations . . . 80

2.3.3.3 Microstructure du diamant implanté et recuit deux fois . . . 86

2.3.3.4 Comportement de l'hydrogène . . . 90

2.3.4 Conclusions sur l'obtention du bullage . . . 92

2.4 Autres tests d'implantation . . . 93

2.4.1 Co-implantations . . . 93

2.4.2 Implantation à deux énergies . . . 95

2.4.3 Implantation dans une couche dopée . . . 97

2.5 Croissance d'une couche sur substrat diamant implanté. . . 98

2.6 Conclusions de la recherche de procédé de bullage dans le diamant . . . 100

Première étude de bullage à une implantation suivie d'un recuit . . . 100

Identication d'un procédé de bullage à deux combinaisons d'implanta-tion/recuit . . . 101

3 Essais de transfert de couches minces de diamant 103 3.1 Description expérimentale . . . 104

3.1.1 Conditions d'implantation ionique retenues . . . 104

3.1.2 Description des empilements. . . 104

3.1.3 Choix de la méthode de collage . . . 107

3.1.4 Méthodes de caractérisation . . . 108

3.2 Essais de transfert de lms autoportés . . . 109

3.3 Essais de transfert sur le modèle du Smart Cuttm _{. . . 113}

3.3.1 Essai puce-à-plaque. . . 113

3.3.2 Essais puce-à-puce . . . 115

3.3.2.1 Collage titane/titane. . . 115

3.3.2.2 Collage or/or . . . 118

3.4 Conclusion des essais de transferts de lms . . . 121

4 Résumé, perspectives et conclusions générales 123 4.1 Résumé de l'obtention du bullage . . . 124

4.1.1 L'amorphisation du diamant sans bullage . . . 124

4.1.1.1 Avant le premier recuit . . . 124

4.1.1.2 Après le premier recuit . . . 125

4.1.2 Obtention du bullage par saturation du diamant pré-amorphisé . . . 125

4.1.2.1 Avant le second recuit . . . 126

4.1.2.2 Après le second recuit . . . 126

4.2 Résumé du développement des méthodes de transfert . . . 127

4.3 Perspectives . . . 128

4.3.1 Perspectives d'approfondissement de la compréhension du bullage dans le diamant128 4.3.2 Perspectives d'optimisation des essais de transfert. . . 129

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TABLE DES MATIÈRES

Annexes 133

A La classication des diamants . . . 134

B Les méthodes de synthèse du diamant . . . 135

B.1 La méthode HPHT . . . 135 B.2 La méthode CVD. . . 135 C L'implantation ionique . . . 136 C.1 Principe . . . 136 C.2 La simulation SRIM . . . 138 D Méthodes de caractérisation . . . 139

D.1 Microscopie électronique à balayage ou MEB . . . 140

D.1.1 Principe . . . 140

D.1.2 Technique complémentaire : la microanalyse X par sonde électronique ou EDX . . . 141

D.2 Microscopie électronique en transmission ou TEM . . . 142

D.2.1 Principe . . . 142

D.2.2 Techniques complémentaires . . . 143

D.3 Cathodoluminescence . . . 144

D.4 Diraction des rayons X ou DRX . . . 145

D.5 Spectrométrie photoélectronique X ou XPS . . . 147

D.6 Spectroscopie d'absorption optique (UV-visible-IR) . . . 148

D.7 Spectrométrie de masse des ions secondaires ou SIMS . . . 149

D.8 Interférométrie . . . 150

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Introduction générale

Dans un contexte écologique mondial où la réduction des dépenses énergétiques est cruciale, les composants de microélectronique se doivent d'être plus ecaces et performants. Outre l'optimisation des architectures des composants, remplacer le silicium, matériau de base de ces derniers, est une voie en pleine exploration. Parmi les matériaux candidats potentiels, le diamant se démarque par ses pro-priétés extrêmes et est très prometteur pour l'élaboration de composants d'électronique de puissance, qui travaillent à hautes températures, tensions et intensités.

Les travaux de recherche sur l'élaboration des composants en diamant progresse mais leur indus-trialisation est encore freinée par l'absence de substrats monocristallins grand format. En eet, alors que les équipements standardisés de microélectronique sont conçus pour traiter des substrats de 200 ou 300 mm de diamètre, les méthodes de synthèse du diamant ne permettent pas de se fournir en substrats monocristallins de plus de 15 × 15 mm2_{dans des volumes de production adaptée à une lière}

de composants d'électronique. En plus de ces problèmes de dimension, les composants en diamant sont directement élaborés sur les substrats en diamant, épais d'environ 500 µm d'épaisseur, ce qui consomme une quantité de matière non négligeable, augmentant par la même occasion le coût du composant.

Pour remédier au problème de coût, une approche intéressante consiste à reporter un lm n de diamant monocristallin sur un autre substrat dont les propriétés sont adaptées aux applications visées. En eet, l'économie de matière serait alors assurée en utilisant une ne couche de diamant. De plus, en réalisant des reports de lm successifs, le pavage d'un substrat grand format pourrait être eectué et permettrait de s'aranchir des problèmes de taille.

Le procédé Smart CutTM _{est une méthode de transfert de lm éprouvée, notamment pour le cas}

du silicium. Ce procédé repose sur une combinaison d'implantation ionique, de collage et de recuit. Un substrat donneur est d'abord implanté puis est collé à un substrat receveur. Lors d'un recuit nal, sous l'action mécanique du substrat receveur collé, les défauts générés par l'implantation dans le substrat donneur sont à l'origine d'une fracture qui se propage à l'échelle du substrat et qui permet la séparation du lm de donneur collé sur le substrat receveur. Des étapes de nitions sont ensuite eectuées.

Le Smart CutTM _{n'a jamais été réalisé dans le cas du diamant. Cette thèse a donc pour objectif}

nal l'adaptation complète du procédé au cas du diamant. Les problématiques soulevées sont multiples et les verrous technologiques à lever sont nombreux :

L'adaptation des paramètres de l'implantation ionique (espèce, dose, énergie) se fait en pro-cédant au recuit d'un substrat implanté non collé. Dans cette conguration, si les paramètres d'implantation sont bien choisis, du bullage de la surface est observable après recuit. Ce phéno-mène de bullage a été démontré dans le diamant mais requiert des températures élevées (plus de 1300 °C dans la majorité des cas). Ces températures n'étant pas compatibles avec toute couche de collage et étant diciles à atteindre en production, il est nécessaire d'identier un procédé de bullage du diamant à "basse température". La compréhension de l'implantation d'hydrogène (ion le plus couramment utilisé dans le procédé Smart CutTM_{) dans le diamant ainsi que le}

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INTRODUCTION GÉNÉRALE Le collage de diamant sur un autre substrat devra être développé. Des couches de collage com-patibles avec le procédé de bullage devront être identiées. Le choix du substrat receveur a également une grande importance puisque ce dernier (au même titre que les couches de collage) doit posséder une conductivité thermique élevée pour ne pas amoindrir les performances du diamant monocristallin. Le substrat receveur devra également avoir un coecient de dilatation thermique proche de celui du diamant pour limiter les contraintes. Le contrôle de la propreté de surface des échantillons sera un élément important car il conditionne en partie la réussite du collage.

À ces problématiques s'ajoute la gestion de la très petite taille des échantillons. L'environne-ment salle blanche est presque intégraleL'environne-ment dédié aux substrats de 200 et 300 mm de diamètre et la contamination particulaire et métallique y est strictement contrôlée. L'accès aux équipe-ments du parc à des petits échantillons est donc très limité. Pour être réalisable, chaque étape devra donc faire l'objet de développements spéciques (avec des supports dédiés ou en utilisant les xations des équipements par exemple). Le diamant monocristallin est un matériau qui n'a jamais été utilisé dans les salles blanches du Léti et chaque avancement constituera donc une première à l'échelle locale. Les moyens de caractérisation sont nombreux mais une nouvelle fois peu adaptés aux petits échantillons. Des eorts d'adaptation peuvent donc aussi être nécessaires. Le chapitre 1 présente et compare les candidats potentiels pour remplacer le silicium comme sub-strat de l'électronique de puissance. Le procédé Smart CutTM_{est présenté puis l'état de l'art de chaque}

étape du procédé dans le cas du diamant est ensuite dressé. Le positionnement de l'étude est enn donné.

Le chapitre 2 est consacré à l'implantation ionique dans le diamant et à l'obtention du bullage de la surface du diamant implanté après recuit, phénomène témoin de la bonne adaptation des conditions d'implantation pour le procédé Smart CutTM_{. Les transformations du diamant occasionnées pendant}

la recherche du bullage sont étudiées (évolution de la microsctructure, des déformations ou des pro-priétés optiques, caractérisation des défauts, observations de surface), le comportement de l'hydrogène implanté est investigué et le phénomène de bullage dans le diamant est décrit. Enn, des test complé-mentaires à la recherche de bullage seront présentés : essais de co-implantation, d'implantation à plu-sieurs énergies, d'implantation dans un substrat dopé et de reprise d'épitaxie sur substrat pré-implanté. Le chapitre 3 présente les essais de transfert de lm et se décline en deux volets. Le premier est consacré aux essais de transfert de lm autoporté à l'aide de dépôts épais et le second est consacré aux essais de transfert de lm sur le modèle du Smart CutTM _{en utilisant une étape de collage du substrat}

pré-implanté à un substrat donneur par thermocompression. Des analyses de surface sont eectuées dans les deux volets.

Enn, le chapitre 4 résume les résultats, donne les conclusions de l'étude et présente quelques perspectives.

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Chapitre 1

Le diamant pour l'électronique de

puissance : forces, faiblesses et solutions

envisagées

Sommaire

1.1 Situation actuelle : un potentiel encore partiellement inexploité . . . 14

1.1.1 Les besoins de l'électronique de puissance de demain . . . 14

1.1.2 Comparatif des matériaux candidats à l'électronique de puissance. . . 14

1.1.3 Les composants en diamant . . . 18

1.1.4 Les problématiques actuelles du diamant. . . 20

1.2 Le Smart Cuttm _{: une technique de transfert de couches minces} _{. . . 21}

1.2.1 Principe et description de la technique . . . 21

1.2.2 Cas classique du silicium. . . 22

1.2.3 Cas du diamant. . . 26

1.3 Positionnement de l'étude . . . 41

1.3.1 Objectifs techniques . . . 41

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CHAPITRE 1. LE DIAMANT POUR L'ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE

1.1 Situation actuelle : un potentiel encore partiellement inexploité

1.1.1 Les besoins de l'électronique de puissance de demain

Dans un contexte actuel où réduire la consommation énergétique est un enjeu sociétal, le gaspillage et les pertes d'énergie doivent être minimisés au cours des prochaines années, avec notamment, parmi les engagements pris par la France, un objectif de diviser par deux la consommation nale d'énergie en 2050 par rapport à 2012 [1]. Pour satisfaire ces objectifs dans le secteur de la microélectronique, les composants doivent combiner performances, abilité et hauts rendements. L'une des branches de la microélectronique au c÷ur de ces problématiques est l'électronique de puissance, dont le rôle est la conversion de l'énergie électrique à partir de convertisseurs statiques. On peut citer à titre d'exemple d'application un montage redresseur qui permet de passer d'une tension ou d'un courant alternatif à continu.

Pour répondre aux besoins d'intégration de puissance, la densité de puissance doit être augmentée : Les composants doivent donc travailler à hautes tension et haute fréquence tout en minimisant les pertes d'énergie. Un matériau avec un grand champ de claquage permet de réduire la taille du composant tout en garantissant sa abilité. Pour minimiser les pertes par eet Joule, la commutation du composant doit être la plus rapide possible et les porteurs de charges doivent être très mobiles dans le matériau choisi.

Les composants doivent fonctionner de façon optimale à haute température (typiquement au dessus de 150 °C). Une grande conductivité thermique est donc nécessaire pour évacuer eca-cement la chaleur et rendre le composant able.

À ces contraintes de performance peut se rajouter celle de la compatibilité avec les équipements standards de microélectronique qui requièrent des substrats de grandes dimensions avec une excellente qualité cristalline.

1.1.2 Comparatif des matériaux candidats à l'électronique de puissance

Plusieurs matériaux sont appelés à remplacer le silicium (Si). Il s'agit du carbure de silicium (SiC), du nitrure de gallium (GaN) et du diamant, sujet central de notre étude. Les propriétés de chacun de ces trois matériaux sont compilées et comparées à celles du silicium dans le tableau 1.1. D'autres candidats à très grand gap sont également prometteurs - tels que le nitrure de bore (BN), le nitrure d'aluminium (AlN), le nitrure d'aluminium-gallium (AlGaN) ou l'oxyde de gallium (Ga2O3) [2] - mais

ne feront pas l'objet des présentes études.

Tableau 1.1 Propriétés d'intérêt des matériaux possibles comme substrats pour les composants de l'électronique de puissance comparées à celles du silicium.

Si 4H-SiC GaN (sur Si) Diamant

Bande interdite (eV) 1,1 3,2 3,4 5,45

Conductivité thermique (W m=1_K=1₎ ₁₅₀ ₄₀₀ ₁₅₀ ₂₂₀₀

Champ de claquage (MV cm=1₎ _0,3 ₃ _3.3 ₁₀

Mobilité électronique (cm2_V=1_s=1₎ ₁₃₀₀ ₉₀₀ _{2000 (gaz 2D)} ₁₀₀₀

Mobilité des trous (cm2_V=1_s=1₎ ₄₈₀ ₁₀₀ ₂₀₀ ₂₀₀₀

Constante diélectrique relative (sans unité) 11,9 9,7 9 5,7

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CHAPITRE 1. LE DIAMANT POUR L'ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE Le SiC

Le carbure de silicium se présente sous plusieurs polytypes, constitués de diérents empilements Si-C, dont le plus répandu est le 4H-SiC. Il est le candidat dont la maturité technologique se rapproche le plus de celle du silicium. Commercialisé en plaque allant jusqu'à 150 mm de diamètre [3] avec un taux de dislocations d'environ 102_cm=2 _[₂_{], il surpasse les autres candidats présentés ici en matière}

de qualité cristalline et la voie des équipements standardisés de microélectronique lui est ouverte. La possibilité de le doper de type n ou p et l'existence d'un oxyde natif complètent ses caractéristiques avantageuses [4]. Des diodes ou des transistors en SiC capables de tenir des tensions supérieures à 10 kV avec des résistances à l'état passant inférieures à 15 mW cm=2_{ont déjà vu le jour [}₅_,₆_{]. L'élaboration des}

couches actives se fait cependant à des températures de l'ordre de 1700 °C, ce qui limite les possibilités d'association avec d'autres matériaux.

Le GaN

Le nitrure de gallium cristallise en système hexagonal (wurtzite) ou cubique (zinc-blende), la forme thermodynamiquement stable étant la wurtzite. Le perfectionnement de son hétéroépitaxie le rend disponible en substrat grand format, le plus grand et le moins coûteux étant le GaN sur Si, allant jusqu'à 200 mm [2]. Bien que moins performant thermiquement que ses homologues sur SiC ou homoépitaxiés, cet empilement le rend compatible avec les lignes de production dédiées au silicium. La densité de dislocation s'élève à environ 108₁₀9_cm=2 _[₇_,₈_{]. Néanmoins, à titre d'exemple, les diodes en GaN}

élaborées sur silicium permettent d'obtenir des résistances à l'état de passant inférieures à 10 mW cm=2

dans une gamme de tension de claquage de 200800 V [9]. Des diodes homoépitaxiées sont capables d'atteindre une tension de claquage de l'ordre de 5 kV avec une faible résistance à l'état passant de 1,25 mW cm=2 _[₁₀_{]. Des transistors élaborés sur silicium, HEMTs (High Electron Mobility Transistor)}

notamment, peuvent atteindre une tension de claquage d'environ 1,25 kV avec une résistance à l'état passant de 2,2 mW cm=2 _[₁₁_].

Le diamant

Les propriétés extrêmes du diamant (voir tableau 1.1), dernier candidat et centre de l'étude, sur-passent celles de ses concurrents. Il fait partie de la famille des matériaux intégralement constitués de carbone, plus amplement décrite dans le paragraphe 1.2.3, dont les membres se diérencient par l'hybridation de leurs atomes. Le diamant n'est pas stable dans les conditions atmosphériques, comme l'illustre la gure 1.1. Cependant, la conversion du diamant en graphite est extrêmement lente et cela permet au diamant d'être métastable dans ces conditions.

Figure 1.1 Diagramme Pression/Température du carbone. Le point triple (TP) et les phases stables dans chaque domaine sont indiqués. Inspiré de [12].

(17)

CHAPITRE 1. LE DIAMANT POUR L'ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE Dans l'état fondamental, la conguration électronique du carbone est 1s2_2s2_2p2_{, avec quatre}

élec-trons de valence (2s et 2p) dont deux appariés (ceux de la sous couche s). Ces orbitales 2s et 2p possèdent des niveaux d'énergie proches et peuvent se recombiner. Le nombre d'électrons appariés n'est alors plus le même et l'atome peut former suivant les cas deux, trois ou quatre liaisons covalentes. On distingue ainsi les matériaux hybridés sp de ceux qui le sont sp2_{, sp}3_{ou de ceux qui sont constitués}

d'un mélange de ces hybridations. Le diamant est la forme hybridée 100% sp3 _{et cristallise en système}

cubique faces centrées (CFC) avec un site tétraédrique sur deux occupé par un atome (ou dans un réseau hexagonal très rare mais non étudié ici : la lonsdaléite). Le carbone hybridé sp3 _{possède quatre}

voisins avec lesquels il partage une liaison σ. La conguration la plus stable énergétiquement est la formation d'un tétraèdre autour de l'atome. Il en résulte un réseau en trois dimensions uniquement constitué de liaisons covalentes, comme illustré en gure1.2, capable de vibrer de façon très cohérente et lui conférant son excellente conductivité thermique. Le paramètre de maille de la structure vaut 3,57 Å et la densité est égale à 3,52 g cm=3_{. Le diamant est également le matériau naturel le plus dur}

(dureté de 10 sur l'échelle de Mohs), ce qui justie son emploi dans les outillages d'abrasion, de polissage ou de clivage. En revanche, cette dureté hors du commun le rend très dicilement polissable ou clivable.

Figure 1.2 La structure CFC diamant. Les structures cristallographiques présentées dans cette étude ont toutes été réalisées avec le logiciel VESTA et à l'aide de la base de données COD (Crystallography Open Database) [13].

Les possibilités de dopage du diamant en font un matériau de choix pour la microélectronique puisque des mobilités élevées des trous (2000 cm2_V=1_s=1_{) comme des électrons (1000 cm}2_V=1_s=1₎

ont déjà été reportées. Des niveaux de dopage de type p supérieurs à 4,5 × 1020_cm=3 _{peuvent être}

réa-lisés avec du bore et confèrent alors au diamant une conductivité métallique [14]. Le diamant présente également la particularité de voir sa résistivité diminuer avec l'augmentation de la température, ce qui rend les composants en diamant - dont l'état de l'art sera dressé dans la partie1.1.3 - plus performants pour les applications à haute température. Le dopage de type n est encore dicile à réaliser car les dopants (phosphore notamment) sont des donneurs profonds.

Enn, les diamants sont classiés suivant les impuretés qu'ils contiennent. Le système de classi-cation est détaillé en annexe A.

Comparatif appliqué à l'électronique de puissance

An de comparer plus précisément tous ces matériaux dans le cadre de l'électronique de puissance, il faut s'intéresser aux pertes énergétiques des composants réalisés. D'abord, la résistance à l'état pas-sant RON engendre des pertes par eet Joule (pertes par conduction). Ensuite, à l'état bloqué, les

composants doivent être capables de tenir les tensions d'utilisation et d'empêcher le passage de tout courant. La résistance à l'état passant RON doit donc être minimisée tandis que la tension de claquage

(18)

CHAPITRE 1. LE DIAMANT POUR L'ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE Dans un modèle très simplié (où 100% des dopants sont ionisés), la résistance à l'état passant d'un composant unipolaire peut s'exprimer suivant la relation suivante :

RON · S =

4 · V_B2 µ · · E3

c

(1.1) Avec RON en W, S en m2, VB la tension de blocage pour l'application (en V), la permittivité (en

F m=1_{), µ la mobilité des porteurs de charges (en m}2_V=1_s=1_{) et E}_c_{le champ de claquage du matériau}

(en V m=1_{). L'épaisseur W de la zone de tenue en tension de ce composant est dénie (en m) suivant}

la relation :

W = 2 · VB

Ec (1.2)

En xant une tension de blocage, il est alors possible de déterminer l'épaisseur de la zone de tenue en tension ainsi que la surface requise ou la résistance à l'état passant engendrée pour chaque matériau [15]. Par exemple, les épaisseurs des zones de tenue en tension des diérents candidats étudiés pour un objectif de tenue en tension de 1 kV peuvent être calculés. Puis, à surface S identique, ici 1 cm2_,

il est alors possible de calculer la résistance RON de chaque matériau. Les résultats sont donnés dans

le tableau1.2.

Tableau 1.2 Épaisseurs des zones de tenue en tension et résistances à l'état passant des diérents candidats étudiés pour un objectif de tenue en tension de 1 kV et une surface de 1 cm2_.

Si SiC GaN Diamant

W (µm) 67 6,7 6 2

RON ·S (mW cm2) 108 0,2 0,07 0,002

Cela permet d'évaluer les performances de résistance de chaque matériau avec une même surface S ou de dimensionner cette dernière à résistance passante xée. Les résultats sont illustrés sur la gure1.3. Les améliorations de performance et de diminution de taille des composants apportées par le dia-mant sont donc claires. Ce modèle 1D simpliste est cependant largement perfectible [15] (ionisation incomplète des dopants, prise en compte de l'ecacité du dopage, des défauts cristallins ou de la ré-sistance de contact par exemple).

En considérant que les pertes se font majoritairement par cette résistance au courant à l'état passant, Baliga [16] établit le facteur de mérite de Baliga (BFOM), déni par le produit rµE3c,

déno-minateur de l'équation (1.1). La valeur de ce produit est normalisée avec celle obtenue pour le silicium. Ainsi, plus le BFOM d'un matériau est élevé, plus ce dernier est théoriquement performant. En prenant également en compte les pertes par commutation, majoritaires dans les applications à haute fréquence, Baliga [17] détermine que les pertes sont diminuées en maximisant le produit µE2

c et fait de ce dernier

un nouveau facteur de gure pour hautes fréquences (BHFFOM), toujours normalisé par rapport au silicium. D'autres critères existent également pour prendre en compte les performances à haute tem-pérature ou la réduction de taille des puces [18].

Les valeurs de ces facteurs peuvent varier d'une source à l'autre, mais le diamant est généralement le matériau qui possède les valeurs les plus élevées [2,17,19,20], conrmant sa supériorité théorique sur les autres concurrents. La recherche académique sur l'élaboration de composants en diamant pour l'électronique de puissance est à l'÷uvre pour concrétiser ces promesses.

(19)

Figure 1.3 Comparatif des surfaces requises pour chaque matériau pour un objectif de tenue en tension de 1 kV et une résistance à l'état passant de 108 mW avec un zoom sur le SiC, le GaN et le diamant dans l'encart en pointillé. Inspiré de [15].

1.1.3 Les composants en diamant

Protant des progrès du dépôt chimique en phase vapeur (CVD - voir annexeBdédiée aux méthodes de synthèse du diamant), la fabrication de composants s'est développée au sein des laboratoires de recherche à partir des années 2000 et une revue de l'état de l'art a récemment été publiée [19]. Le travail sur les composants peut se scinder en deux parties centrées sur les diodes et les transistors. Les meilleures performances de ces deux types de composants sont recensées dans les tableaux1.3 et1.4. Tableau 1.3 Résultats marquant de l'état de l'art des diodes en diamant en terme de tension de blocage (Vmax), de champ de claquage (Emax) et de courant de fonctionnement (Imax). PiN signie

p-type-intrinsic-n-type diode et (p)VSBD signie (pseudo) vertical Schottky barrier diode.

Paramètre Vmax Emax Imax

Valeur record >10 kV >7 MV cm=1 _{20 A}

Composant PiN pVSBD VSBD

Référence [21] [22,23] [24]

Tableau 1.4 Résultats marquant de l'état de l'art des dispositifs de commutation en diamant en termes de tension de blocage (Vmax), de champ de claquage (Emax) et de courant de fonctionnement

(Imax). Liste des abréviations : JFET pour junction gate eld-eect transistor et H-FET pour

hetero-junction eld-eect transistor.

Paramètre Vmax Emax Imax

Valeur record >2 kV >6 MV cm=1 1,3 A mm=1; 450 A cm=2 (mode bipolaire)

Composant H-FET JFET H-FET ; JFET

(20)

CHAPITRE 1. LE DIAMANT POUR L'ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE Les diodes Schottky sont capables de commuter rapidement et possèdent une tension de seuil très basse. Ces caractéristiques en font un composant idéal pour l'électronique de puissance. Parmi les architectures présentées, la structure pseudo-verticale, moyennant l'optimisation des contacts mé-tal/diamant, permet d'obtenir un BFOM de 244 MW cm=2 _[₂₂_,₂₃_{], le plus élevé reporté à ce jour pour}

un composant en diamant et surpassant les limites du silicium (voir gure1.4plus loin).

Pour ce qui est des transistors en diamant, les travaux d'optimisation des structures permettent des performances comparables aux transistors réalisés avec les principaux concurrents du diamant. À titre d'exemple, Umezawa et al. [29] ont réalisé des MESFETs (metal-semiconductor eld-eect transistor) en diamant dont les tensions de blocage sont comparables avec celles des FETs en GaN [30]. Hirama et al. [27] obtiennent quant à eux des FETs dont la densité de courant atteint celle des HEMTs (pour high-electron-mobility transistors) en GaN.

En reprenant l'analyse théorique sur le compromis entre la résistance à l'état passant RONS et la

tension de blocage VB du paragraphe précédent avec un modèle plus réaliste, Umezawa [19] compare

les performances théoriques du diamant, du Si et du SiC avec les performances des composants en diamant réalisés dans la littérature - gure 1.4.

Figure 1.4 Compromis entre tension de blocage et résistance à l'état passant. Les courbes indiquent les limites théoriques du silicium, du 4H-SiC et du diamant à température ambiante (RT) ou à 250 °C et les points indiquent les performances de diodes en diamant (SBD pour Schottky barrier diode et MiP pour metal-intrinsic-p type diode) réalisées dans la littérature [19].

L'état de l'art des composants en diamant progresse et les performances de ceux réalisés à ce jour atteignent déjà les limites intrinsèques du silicium et se rapprochent de celles du SiC. Elles restent cependant inférieures aux limites théoriques du diamant. En eet, tous les composants sont encore sujets à des limitations et plusieurs phénomènes altèrent aujourd'hui leurs performances. La présence d'un fort champ électrique sur les bords des contacts a un impact important sur la tension de claquage, tandis que la présence de défauts dans les lms CVD fortement dopés bore peut être fatale pour le bon fonctionnement du composant. Un dopage ecace de type n est également encore dicile à obtenir. Outre ces dés propres à la conception même des composants, d'autres problématiques inhérentes aux substrats eux-mêmes doivent être résolues.

(21)

1.1.4 Les problématiques actuelles du diamant

La plus grande faiblesse du diamant à ce jour, qui a longtemps freiné son développement et limite encore sa montée en maturité, est la petite dimension de ses substrats monocristallins. La méthode de synthèse à haute pression et à haute température (HPHT, voir annexe B), qui produit des substrats pour la croissance CVD, ne permet pas encore d'obtenir des plaquettes de plus de 15 mm2 _[₃₁_{]. Les}

taux de dislocations correspondants sont dans la gamme 102₁₀5_cm=2_[₃₁_{]. Cependant, les eorts allant}

dans le sens de l'élargissement et de l'amélioration de la pureté de ces substrats sont certains [32,33]. Les plaquettes produites restent cependant chères (environ 500 euros pour des plaquettes de 4 × 4 mm2 _[₃₁_{]), le procédé HPHT étant notamment très exigeant techniquement.}

L'hétéroépitaxie est également en plein progrès puisque du diamant CVD monocristallin de plus de 90 mm de diamètre a récemment été réalisé sur un empilement d'iridium (Ir) et de zircone stabili-sée à l'oxyde d'yttrium (YSZ) sur silicium (001) [34]. Le sujet fait l'objet de nombreuses recherches [35]. Enn, le diamant polycristallin est déjà disponible en grandes dimensions, mais la présence de joints de grains limite ses performances et par conséquent ses applications possibles.

De façon générale, épitaxier les composants sur des plaquettes de 4 mm2 _{en moyenne, avec des}

contacts électriques en face arrière, augmente drastiquement le prix unitaire du composant. Pour bais-ser les coûts et gagner en maturité technologique, une approche intéressante consiste à n'utilibais-ser que le strict nécessaire de matériau, en prélevant des lms ns de plaquettes monocristallines et en les reportant sur des substrats compatibles avec les équipements standardisés de la microélectronique. Ces substrats, ainsi que les éventuelles couches de collage, doivent également avoir une conductivité thermique élevée an de ne pas gâcher les propriétés du diamant transféré. De plus, être en mesure de prélever des lms ns permet de paver un substrat grand format en les aboutant et d'ainsi répondre à la problématique des faibles dimensions des substrats en diamant et ouvrir la voie de l'industrialisation dans les équipements de production. Ce principe est schématisé plus loin, dans le positionnement de l'étude (gure 1.31).

Pour accomplir cette approche, la technique phare de report de lm au sein du Léti est le procédé Smart CutTM_{. Son principe va donc être maintenant présenté. Il sera ensuite illustré par son application}

la plus mature, dans le silicium. Enn, l'état de l'art du procédé appliqué au diamant sera dressé, ainsi que celui des procédés alternatifs de transfert de lm de diamant déjà existants.

(22)

1.2 Le Smart Cut

tm

_{: une technique de transfert de couches minces}

1.2.1 Principe et description de la technique

Le procédé Smart CutTM_{, propriété du groupe Soitec [}₃₆_{], est une technologie mise au point pour}

obtenir des lms ns monocristallins reportés sur d'autre substrats [37]. Elle a permis l'élaboration de substrats Silicon-On-Insulator (SOI) de meilleure qualité que ceux produits avec des techniques pré-existantes, basées sur la création d'un oxyde enterré par implantation O+ _[₃₈_{] ou la gravure par}

l'arrière d'un substrat collé (BESOI - etch back SOI) [39]. Polyvalente, la technique peut être adaptée à divers substrats. Les couches transférées conservent parfaitement leur monocristallinité. Cette méthode repose sur plusieurs briques technologiques récapitulées dans le schéma de la gure1.5.

Figure 1.5 Principe du procédé Smart CutTM _[₃₆_].

Après oxydation, la première étape clé consiste à créer par implantation ionique (voir annexe C) une zone endommagée dans le substrat donneur (le substrat A du schéma). Les ions sont implantés à une profondeur (typiquement inférieure à 1 µm) xée par l'énergie d'implantation. L'ion le plus large-ment employé est l'hydrogène H+_.

La deuxième étape clé consiste à coller au substrat donneur implanté un substrat receveur (le sub-strat B). C'est sur ce dernier que sera transféré le lm du subsub-strat donneur. Plusieurs techniques de collages peuvent être utilisées en fonction des contraintes propres à chaque matériau : collages directs par préparation de surface, collages avec une couche intermédiaire (polymère, métal, oxyde...).

La dernière étape clé, nommée "clivage" dans le schéma, est un recuit qui doit provoquer deux mécanismes : le renforcement de l'interface de collage puis la fracture du substrat donneur au niveau de la zone implantée. Le second mécanisme est causé par les espèces implantées (hydrogène ou hélium par exemple). Ces ions précipitent dans des défauts sous forme de gaz et forment des cavités pressuri-sées. Sous l'action mécanique du substrat receveur, qui joue un rôle de raidisseur, la pression gazeuse exercée dans les cavités engendre nalement une fracture latérale au c÷ur de la zone implantée, qui se propage alors le long de la plaque. L'épaisseur du lm transféré est donc xée par la profondeur d'implantation de la première étape.

On peut alors séparer le substrat donneur et le lm collé sur le substrat receveur. Le transfert est alors complètement achevé avec des nitions (typiquement des étapes de polissage, gravure etc...) et le substrat donneur peut-être recyclé pour répéter le procédé.

Chaque matériau requiert des implantations spéciques pour pouvoir provoquer la fracture en son sein pendant le recuit. Aussi, pour vérier la validité de la première brique, il est commun de recuire le substrat donneur implanté sans collage préalable de raidisseur. Dans ces conditions, si les paramètres

(23)

CHAPITRE 1. LE DIAMANT POUR L'ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE d'implantation sont bien choisis, le recuit va provoquer la même création de cavités pressurisées que décrite précédemment. Cette fois-ci, sans contrainte mécanique appliquée par un raidisseur, les cavités peuvent gagner en volume verticalement et déformer localement la surface, formant des bulles, visibles notamment en microscopie optique, comme illustré sur la gure1.6. Si la pression dans la cavité devient trop importante, le lm déformé au-dessus de cette dernière peut s'exfolier, laissant alors en lieu et place de la bulle une exfoliation dont le fond se situe au niveau de la zone implantée. L'observation de ce bullage ou de ces exfoliations dans des études préliminaires est donc un moyen relativement simple de valider la première brique du procédé de transfert.

Figure 1.6 Morphologie de la surface d'une plaque de silicium implantée et recuite observée au microscope optique (l'échelle représente 50 µm). Des cloques et des exfoliations (en gris plus foncé) sont visibles [40].

1.2.2 Cas classique du silicium

Le matériau le plus largement étudié avec l'utilisation du procédé Smart CutTM _{est naturellement}

le silicium, puisque le SOI reste le produit phare réalisé par cette technologie. Dressons un état de l'art des diérentes briques du procédé appliquées au silicium. D'abord, le phénomène de bullage dans ce matériau est bien référencé. La gure1.7donne la fenêtre de dose et d'énergie d'implantation H+_dans

laquelle il est observé [41].

Figure 1.7 Doses minimales et maximales (× 1016_cm=2_{) ou quantité minimale d'hydrogène (en}

pourcentage atomique) requises pour l'obtention du bullage dans le Si (001) après implantation hydro-gène et recuit (blistering window) en fonction de l'énergie d'implantation [41].

(24)

CHAPITRE 1. LE DIAMANT POUR L'ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE Après implantation dans la maille cristalline du silicium, l'hydrogène est stable en site intersti-tiel mais également très réactif avec les défauts d'implantation, où il se lie aux lacunes (V) et aux Si interstitiels (I) pour former des complexes VnHm et InHm. Des "platelets", structures

caractéris-tiques illustrées en microscopie électronique en transmission (TEM - présentée en annexe D.2), se forment également (gure 1.8). Ces derniers peuvent être parallèles aux plans (111) ou (001) [42] et préférentiellement orientés parallèlement à la surface [41], préservant la qualité cristalline avoisinante. Riches en dihydrogène gazeux avec des parois passivées par des liaisons Si-H, ils participent à relaxer les contraintes induites dans le silicium par l'implantation et la sur-saturation en hydrogène. L'évolu-tion d'une très grande partie de ces défauts en foncL'évolu-tion des paramètres procédés, peut être suivie en spectroscopie infrarouge (IR) [43,44].

Figure 1.8 Image TEM de platelet dans le Si implanté. Le platelet est visible au centre de l'image, entouré par le silicium cristallin [45].

Des analyses des contraintes, basées sur la diraction des rayons X (DRX), ont également été réalisées [46] et sont détaillées plus amplement dans l'annexeD.4consacrée à cette méthode de carac-térisation. En utilisant les motifs de franges caractéristiques, montrés en annexe D.4et en gure 1.9, il a été ainsi démontré que l'hydrogène est à l'origine des contraintes introduites par l'implantation et que cette contrainte, normale à la surface, est très dépendante des orientations du substrat [46]. En revanche, les platelets ne sont pas source de contrainte.

Figure 1.9 (a) Mesure de l'intensité diractée dans la direction [001] d'un substrat silicium implanté H+_{à 76 keV à une dose de 6 × 10}16_cm=2_{et d'un substrat non implanté (respectivement en trait plein et}

en pointillé). (b) Mesure de l'intensité diractée dans la direction [100] d'un substrat silicium implanté H+ _{à 76 keV à une dose de 8 × 10}16_cm=2 _{avant et après un recuit de 2 min à 350 °C (respectivement}

en ligne en pointillé et en nuage de points. Une courbe en trait plein, simulation de l'intensité diractée par le silicium implanté avant recuit accompagne les données mesurées [46].

(25)

CHAPITRE 1. LE DIAMANT POUR L'ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE Au cours d'un recuit supérieur à 300 °C, les signatures IR relatives à l'hydrogène interstitiel s'at-ténuent. Les défauts ponctuels hydrogénés mono et multi-lacunaires se dissocient également alors que du H2 se forme [47]. Cet hydrogène moléculaire, mal détecté en spectrométrie de masse des ions

secon-daires (SIMS, voir annexe D.7) est à l'origine d'un "écrêtage" des prols d'hydrogène mesurés après recuit avec cette technique, comme l'illustre la gure 1.10. Cette hypothèse est renforcée par le fait que des mesures complémentaires de concentration d'hydrogène, eectuées en spectrométrie de recul élastique (ERDA - technique permettant le dosage de l'hydrogène de façon absolue) n'indiquent aucune exodiusion [44].

Figure 1.10 Prols d'hydrogène mesurés en SIMS dans du silicium (001) implanté H+ _{à 40 keV à}

une dose de quelques 1016_cm=2 _{avant et pendant un recuit à 400 °C. Le temps de recuit est indiqué en}

minutes ainsi qu'en pourcentage du temps requis pour provoquer la fracture à l'échelle de la plaque [44]. Les signes de contraintes disparaissent également sur les diractogrammes (i.e. les franges dispa-raissent, voir gure1.9). La taille des platelets augmente alors que leur densité diminue [45] : les petits platelets se retrouvent consommés par les plus grands dans un mécanisme de mûrissement d'Ostwald en échangeant de l'hydrogène. Avec un budget thermique susant, des microssures se forment alors en se nourrissant du réservoir d'hydrogène libéré par la matrice. Pour ces défauts étendus, au phénomène de mûrissement s'ajoute une propagation mécanique due à leur pression gazeuse interne grandissante [44]. Notons que le bullage se produit dans le silicium cristallin endommagé mais pas dans le silicium amorphe, où des nanocavités se développent mais ne coalescent pas pour former une microssure [48]. C'est ici qu'un raidisseur, placé avant recuit, joue un rôle mécanique en empêchant la propagation verticale des cavités. Le collage utilisé pour l'obtention d'un SOI est un collage direct Si/SiO2 (Si/Si

et SiO2/SiO2 existent également). Ce type de collage ne nécessite aucune colle ou couche de collage

intermédiaire et repose sur la préparation de surface des plaques. Des liaisons de type Van-Der-Walls lient les deux plaques lorsqu'elles ne sont plus séparées que par moins d'une centaine de nanomètres. Selon la terminaison des surfaces à coller (Si-OH ou Si-H), le collage peut être hydrophile ou hydro-phobe. Pour obtenir les conditions idéales de collage direct - à savoir mettre un maximum de surface en contact et créer à température ambiante de nombreuses liaisons entre ces surfaces - il faut remplir deux critères de propreté et de rugosité :

les contaminants organiques, particulaires et métalliques sont éliminés de la surface des plaques par une succession de nettoyages : acide sulfurique/eau oxygénée (CARO), eau/ammoniac/eau oxygénée (SC1), acide chlorhydrique (SC2).

si les matériaux à coller sont rigides ou ont une énergie de collage faible, les plaques ne doivent être que très peu courbées. Dans tous les cas, elles doivent présenter une moyenne quadratique de la rugosité (RMS) de leur surface inférieure à 56 Å [49]. Des étapes de polissage peuvent donc être nécessaires.

(26)

Les deux surfaces ainsi préparées sont alors mises en contact. Une simple pression mécanique sut à activer les forces responsables du collage et une onde de collage se propage avec l'expulsion progressive de l'air. Le front de collage peut être observé entre deux plaques de silicium par caméra infrarouge, comme illustré sur la gure 1.11 [50]. La vitesse de propagation du front d'onde a été modélisée, en bon accord avec l'expérience [51].

Figure 1.11 Images (a) de l'initiation mécanique du collage et (b-f) de la propagation du front de collage acquises par caméra infrarouge. Les parties collées apparaissent en clair [50].

L'empilement ainsi formé est prêt à être recuit pour enclencher les mécanismes précédemment dé-crits. Une fracture se produit nalement au niveau de la zone endommagée lorsque les microssures étendues coalescent avec un bruit audible, témoin du caractère catastrophique de la rupture [44]. Un recuit nal au-dessus de 1000 °C permet nalement le scellement complet du collage par la formation de liaisons covalentes et l'obtention du SOI nal après polissage.

Notons que le Smart CutTM _{a déjà été adapté dans d'autres matériaux (gure} _1.12_{) tels que le}

germanium [52], le carbure de silicium [53], le nitrure de gallium [54], le phosphure d'indium [55], l'arséniure de gallium [56] ou encore le niobate de lithium [57]. Intéressons-nous maintenant à l'état de l'art de ces mêmes briques technologiques appliquées au cas du diamant. An de mieux comprendre cet état de l'art, nous introduirons en préambule une description des autres matériaux carbonés.

Figure 1.12 Photographies de (a) carbure de silicium sur isolant (SiCOI - 50 mm) [53], (b) arséniure de gallium sur silicium (50 mm) [56], (c) phosphure d'indium sur silicium (50 mm) [55], (d) nitrure de gallium sur saphir (50 mm) [54], (e) germanium sur isolant (GeOI - 200 mm) [52] et (f) niobate de lithium sur isolant (LiNbOI - 75 mm) [57].

(27)

1.2.3 Cas du diamant

1.2.3.1 La famille des matériaux carbonés

Comme présenté précédemment, le diamant fait partie d'une famille de matériaux intégralement constitués de carbone, qui présentent des propriétés extrêmement variées. Seul le diamant est perti-nent pour l'électronique de puissance mais il est néanmoins important de décrire les autres matériaux carbonés, notamment pour la compréhension de l'implantation ionique dans le diamant.

Matériaux hybridés sp

Dans les matériaux hybridés 100% sp, l'atome de carbone peut établir deux liaisons covalentes σ pour former une chaîne linéaire qui minimise les forces de répulsion. Les deux derniers électrons 2p vont former deux liaisons conjuguées π et ainsi constituer une triple liaison. On obtient nalement une chaîne linéaire avec une alternance de triples puis de simples liaisons. Le plus simple exemple d'une telle conguration est la molécule d'acétylène, représentée en gure1.13, ou encore plus généralement les alcynes. Il existe aussi des chaînes plus longues que l'acétylène, les carbynes.

Figure 1.13 La molécule d'acétylène Figure 1.14 La structure du graphite Matériaux hybridés sp2

L'hybridation sp2 _{engendre trois liaisons covalentes σ par atome de carbone. Il en résulte une}

con-guration en hexagones plans qui minimise l'énergie totale du système. Le dernier électron p non hybridé forme alors une liaison conjuguée π avec ses voisins et empêche une structuration tridimensionnelle au prot de feuillets bidimensionnels. Le graphite, la forme cristalline, est donc constitué d'un empilement de feuillets décalés les uns par rapport aux autres pour former des motifs ABAB (il existe également le graphite rhomboédrique, constitué d'un empilement de feuillets ABCABC. Cette forme est instable thermodynamiquement). La structure du graphite, système hexagonal de groupe d'espace P63mc, est illustrée sur la gure1.14.

Cette structure rend le graphite très friable en raison de l'absence de liaisons covalentes entre les feuillets et explique la diérence entre les paramètres de maille a et b (côtés du losange) et c (la double distance entre deux feuillets), qui valent respectivement 2,47 Å et 6,79 Å. La densité vaut 2,3 g cm=3_.

Les propriétés du graphite, à l'image de sa structure, sont anisotropes : sa conductivité thermique passe de 398 W m=1_K=1 _{dans le plan des feuillets à 2,2 W m}=1_K=1 _{entre deux feuillets [}₅₈_{]. De la}

même façon, les nombreuses liaisons conjuguées permettent une très grande mobilité électronique de 12 400 cm2_V=1_s=1 _{le long des doubles liaisons [}₅₉_].

(28)

CHAPITRE 1. LE DIAMANT POUR L'ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE Réduit à un simple feuillet, le graphite devient graphène. Les propriétés mécaniques, chimiques et électriques hors du commun de ce matériau le rendent prometteur pour des applications variées [6062] : canaux de FET, électrodes transparentes pour écrans tactiles exibles ou encore photodétecteurs. Le graphène possède deux homologues :

Les nanotubes de carbone, que l'on peut se représenter comme du graphène enroulé en tube fermé. Ils gardent des propriétés et des perspectives d'application assez similaires à celles de leur homologue plan [63].

Les fullerènes, découverts accidentellement en vaporisant du graphite avec un laser [64], qui peuvent se représenter comme du graphène replié en forme de ballon de football. La plus petite forme stable comprend 60 atomes (appelée C60). Une propriété de grand intérêt est la

super-conductivité à "haute" température (jusqu'à 45 K) des formes stables correctement dopées [65]. La forme amorphe 100% sp2 _{est appelée carbone vitreux. C'est un matériau de faible densité}

(1,5 g cm=3_{) en raison des empilements désordonnés de rubans graphitiques et des nombreux pores qui}

le constituent. Son inertie chimique en fait un bon candidat pour l'élaboration d'électrodes [66]. Matériaux hybridés avec un mélange sp2 _{et sp}3

Il n'existe pas qu'une unique forme de carbone amorphe. Outre le carbone vitreux 100% sp2_{, on}

trouve toute une gamme de matériaux appelés Diamond-Like Carbons (DLCs), constitués d'un mé-lange d'hybridations sp2 _{et sp}3_{. La grande diérence de propriétés entre les deux hybridations sculpte}

alors les propriétés de ces matériaux amorphes, qui tendront vers celles du diamant (grandes dureté et densité, excellente conductivité thermique, semi-conducteur à grand gap) ou du graphite (faibles dureté et densité, excellente conductivité électrique) suivant leur proportion de carbone sp2 _{et sp}3_.

La forme amorphe qui contient le plus de carbone sp3 _{est appelée tetrahedral amorphous carbon}

(ta-C) pour souligner sa proximité structurelle avec le diamant tétraédrique et ainsi le diérencier de l'amorphous Carbon (a-C) plus riche en sp2_{. Hybridé jusqu'à environ 90% sp}3_{, il présente donc des}

propriétés relativement proches de celles du diamant (dureté, transparence, gap à 2,5 eV) [67]. L'a-C est une forme plus riche en sp2_{, moins dense, moins dure et possède un gap moins élevé que le ta-C,}

autour de 1 eV [68]. Les structures de ces deux formes consistent en un mélange aléatoire de C sp3 _et

de C sp2 _{(en chaînes linéaires ou en noyaux aromatiques) dont les proportions varient [}₆₉₇₁_].

Une quantité non négligeable d'hydrogène peut être incorporée dans ces matériaux et forment des liaisons C-H qui brisent les chaînes de carbone [69]. On obtient alors des matériaux de densités infé-rieures, moins durs que leurs cousins non hydrogénés, classables en quatre catégories [72] :

Polymer-like a-C :H (PLCH), jusqu'à 70% sp3 _{avec 35 à 60% d'hydrogène.}

Diamond-like a-C :H (DLCH), entre 20 et 60% sp3 _{avec 20 à 35% d'hydrogène.}

ta-C :H, 70% sp3 _{avec 25 à 30% d'hydrogène.}

Graphite-like a-C :H (GLCH), à haute teneur en sp2 _{et moins de 20% d'hydrogène.}

On peut ainsi constituer un diagramme de phase ternaire à l'image de celui de Jacob et Moller [73] et repris notamment par Robertson [67], représenté en gure 1.15. Tous ces matériaux sont candidats à des applications industrielles variées [74].

Ces pré-requis étant exposés, l'état de l'art de chaque brique du procédé Smart CutTM _appliqué

(29)

Figure 1.15 Diagramme de phase ternaire (C sp3_{, C sp}2 _{et H) des alliages carbone amorphe}

-hydrogène. (t)-aC( :H) signie (hydrogenated tetrahedral) amorphous carbon et HC polymers signie hydrocarbon polymers [67].

1.2.3.2 L'implantation ionique

Les études d'implantation dans le diamant sont nombreuses et ont démarré il y a plusieurs dé-cennies. Une partie de ces études se concentre sur la maîtrise du dopage de diverses impuretés : des donneurs tels que le lithium, le phosphore, l'azote ou le sodium [7578] et des accepteurs comme le bore [79,80]. Cependant, l'ecacité de ces dopages dans le diamant est limitée.

Un autre volet de l'implantation ionique dans le diamant consiste en l'ingénierie des défauts. Des impuretés sont introduites dans le diamant pour créer des centres uorescents, piégés dans la matrice cristalline, nommés centres colorés. Le plus largement étudié est l'association d'un atome d'azote et d'une lacune, appelé centre N-V. Très stable, ce défaut possède des propriétés de photoluminescence et de spin prometteuses pour des applications en cryptographie quantique, en magnétométrie ou en biologie [8184].

Plusieurs auteurs ont cherché à identier la nature des défauts produits par implantation ionique ou électronique. Des lacunes (neutres ou chargées électriquement), des interstitiels, des défauts parti-culiers (comme par exemple les défauts Dumbbell) apparaissent en plus des centres colorés, avec des signatures caractéristiques, détectables en cathodoluminescence (annexe D.3) [85,86], en spectrosco-pie Raman [87,88] ou en absorption optique (annexe D.6) et infrarouge [8892]. Une partie de ces défauts existe également dans les diamants non implantés, naturels comme articiels, largement réfé-rencés [9397].

Un phénomène lié à la métastabilité - déjà évoquée - du matériau est induit par l'implantation ionique et achevé par un recuit : la graphitisation. Ce mécanisme est identié depuis plusieurs décennies [98]. À partir d'un certain endommagement, les liaisons sp3 _{du diamant peuvent se convertir en liaisons}

sp2_{, typiques des matériaux graphitiques. La structure cristalline devient peu à peu amorphe et ses}

propriétés restent proches de celles du diamant ou tendent vers celles du graphite suivant la proportion sp2_/sp3_{, à la façon des DLCs. Des études de TEM ont mis en évidence cette amorphisation avec ou}

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Figure 1.16 Image TEM haute résolution (a) d'une zone de diamant implantée C+ _{et (b) de}

l'inter-face entre cette dernière le substrat de diamant. Des phases amorphes (A) et graphitiques (G) ainsi que des zones toujours cristallisées (D) sont indiquées. La èche blanche montre un défaut potentiellement responsable de contrastes observés dans d'autres images TEM de l'étude en question [101].

En étudiant l'évolution de cette graphitisation en fonction de la dose de divers ions implantés, Ka-lish et Prawer [102] constatent qu'elle est indépendante de la nature de l'ion implanté et mais qu'elle dépend plutôt de la quantité de dégâts générés par l'implantation. Ils montrent également qu'aug-menter la température d'implantation augmente la quantité critique de défauts à atteindre, tandis qu'augmenter le courant d'implantation la diminue. En combinant SIMS et simulations (stopping and range of ions in matter - SRIM, voir annexe C consacrée à l'implantation ionique), Uzan-Saguy et al. [103] déterminent une densité critique de lacunes Dcde 1 × 1022cm=3, ce qui correspond environ à

6% de la densité atomique du diamant.

En dessous de ce seuil, le réseau tétraédrique est seulement distordu. Un recuit post-implantation permet alors sa régénération et les propriétés du diamant sont restaurées [99,104].

Au-dessus de ce seuil, un recuit post-implantation permet le réarrangement progressif des liai-sons sp2 _{sporadiques déjà existantes en feuillets de graphite, en fonction de la température du}

recuit, de la dose implantée ou de la profondeur d'implantation [105,106]. Il est alors possible de suivre cette évolution en étudiant la baisse progressive de résistivité [104,107109] ou de densité [104,110]. La proportion de sp2 _{et sp}3 _{peut être obtenue grâce à de la spectroscopie des}

pertes d'énergie (EELS - annexeD.2), de la spectrométrie photoélectronique X (XPS - annexe

D.5) ou de la spectroscopie Raman [111113].

D'autres critères ont été proposés : Fairchild et al. [100] proposent que le mécanisme d'amor-phisation soit plutôt lié à une contrainte critique de 16%, qu'ils relient à une densité critique de (2,95 ± 0,10) g cm=3_{. Friedland et al. proposent quant à eux de se baser sur l'énergie accumulée}

pen-dant l'implantation [114,115]. Le critère de densité critique de lacunes reste cependant le plus répandu. Ce seuil s'applique particulièrement aux implantations à froid car il se base sur des simulations faites à 0 K qui ne prennent pas en compte les recombinaisons dynamiques qui inhibent la graphitisation. Des seuils d'amorphisation plus élevés ont donc été observés et sont répertoriés dans le tableau1.5.

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CHAPITRE 1. LE DIAMANT POUR L'ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE Tableau 1.5 Densités critiques de lacunes recensées en fonction des conditions d'implantation.

Espèce Energie (keV) Dc (cm−3) Référence

C+ ₁₀₀ _{4,6 × 10}22 _[₁₀₆_] C+ ₁₀₀ _{4,7 × 10}22 _[₁₀₂_] Xe+ ₃₂₀ _{2,3 × 10}22 _[₁₀₂_] Si+ ₁₀₀₀ _{6 × 10}22 _[₉₉_] C+ ₃₀₀₀ _{1 × 10}23 _[₁₁₆_] Ga+ ₃₀ _{5,2 × 10}22 _[₁₁₇_] H+ 2 50 3,2 × 1022 [118] He+ ₂₀₀₀ _{9 × 10}22 _[₁₁₉_] C+ ₁₅₀ _{6 × 10}22 _[₁₀₁_]

L'endommagement du diamant induit par implantation ionique a également fait l'objet de simula-tions en dynamique moléculaire (MD) et théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Kalish [120] et Saada [121] révèlent ainsi une structure désordonnée après implantation, contenant des nombreuses liaisons sp2 _{sans pour autant présenter de cristallites graphitiques. En chauant au-dessus de 2500 K,}

le nombre de liaisons sp3 _{augmente au coeur de la zone défectueuse à cause des relaxations locales}

ou de la diusion atomique suivie de recombinaisons lacune/interstitiel, tandis qu'en périphérie, des feuillets de graphite se créent le long de la direction [111] du diamant. Ce dernier mécanisme de forma-tion du graphite a également été observé expérimentalement après un recuit sous haute pression [122]. Les plans (111) du diamant et les plans (002) du graphite présentent en eet de grandes similarités, illustrées en gure 1.17.

Figure 1.17 Comparaison des plans cristallins du diamant (en rouge) et du graphite (en noir). Le plan (111) du diamant et (002) du graphite sont alignés et vus sous deux angles diérents.

Ce mécanisme n'est cependant pas toujours respecté [99,123125] et d'autres structures dont le graphite "vertical egde", ont aussi été mises en évidence. Les feuillets sont dans ce cas parallèles à la direction [001] du diamant et en rotation aléatoire autour de ce dernier axe [125]. Popov et al. observent également une rotation des plans graphitiques en fonction de la dose implantée et après un recuit sous une pression supérieure ou égale à 4 GPa [118].

La graphitisation n'est pas toujours un eet indésirable et est parfois sciemment provoquée. Elle présente par exemple un intérêt pour l'élaboration de bons contacts ohmiques de capteurs pour la détection de particules [126128].