EP1839332A2 - Formation et traitement d'une structure en sige - Google Patents

Formation et traitement d'une structure en sige

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EP1839332A2
EP1839332A2 EP06703581A EP06703581A EP1839332A2 EP 1839332 A2 EP1839332 A2 EP 1839332A2 EP 06703581 A EP06703581 A EP 06703581A EP 06703581 A EP06703581 A EP 06703581A EP 1839332 A2 EP1839332 A2 EP 1839332A2
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EP
European Patent Office
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layer
forming
structure according
temperature
hydrogen
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EP06703581A
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German (de)
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Nicolas Daval
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Soitec SA
Original Assignee
Soitec SA
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
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    • H01L21/76—Making of isolation regions between components
    • H01L21/762—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers
    • H01L21/7624—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology
    • H01L21/76251—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
    • 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 present invention relates to a process forming a structure comprising a layer taken from semiconductor material from a donor wafer, the donor wafer comprising before sampling a first layer of Sii-x Ge x and a second layer of Si -y Ge y on the first layer (x, y being respectively between 0 and 1, and x being different from y), the process comprising the following successive steps: (a) implantation of atomic species to form an embrittlement zone under the second layer;
  • This type of layer sampling uses the Smart-Cut® technique, well known to those skilled in the art.
  • An example of implementation of such a sampling method is described in particular in document US2004 / 0053477 in which the second layer has a crystallographic structure elastically constrained by that of the first layer.
  • the step (d) of treatment of the sampled layers is often necessary to implement to remove defective areas and reduce the roughness present at the surface and which mainly result from the implementation of steps (a) and (c).
  • the defect area has a thickness typically around 150 nm for atomic hydrogen implantation.
  • a mechanical polishing or a chemical mechanical planarization may be used to make up the surface roughness, and / or sacrificial oxidation steps of the defective zones.
  • step (b) Since the bonding according to step (b) is conventionally carried out by means of a layer of electrical insulating material, it will be possible to providing a semiconductor-on-insulator structure, such as an Si-I- x Ge x / Si-i-yG ⁇ y on insulator structure.
  • a step subsequent to step (d) may be carried out so as to remove the remaining portion of the first layer, thereby retaining only the second layer on the receiver plate.
  • This will produce a structure Si y Ge y on insulator.
  • the removal operation of the remaining portion of the first layer can be effected effectively by selective chemical etching by employing suitable etching agents. Selective chemical etching makes it possible to obtain in the end the desired layer with a good surface quality, without the risk of damaging it too much (which could be the case if a single polishing was implemented).
  • the chemical etching may in certain cases cause problems of at least partial delamination of the bonding interface. Indeed, it can in particular delaminate edge of the bonding layer, that is to say attack the latter at its outcropping by the edge of the structure produced.
  • a sSOI structure (“strained silicon on insulator") comprising
  • HF HAc (HAc being the abbreviation of acetic acid) on a sSi / SiGeOI structure
  • the subsequent etching can no longer be selective.
  • it is often desirable to avoid any diffusion from one layer to another. This is particularly the case when the second layer is in constrained Si (ie y 0) and it is ultimately desired to obtain a sSOI structure to fully benefit from the electrical properties of such a structure (ie increased mobility of charges).
  • the treatment temperature is limited by the diffusion of Ge from one layer to another (this diffusion typically starting around 800 0 C), and the reinforcement carried out at low temperature can then be only partial. The delamination problem therefore remains.
  • An object of the invention is to avoid delamination at the edge of the bonding layer during the implementation of a chemical finishing etching.
  • Another object of the invention is to reduce the duration, the economic cost, and the number of processing means, after step (c), of the layers removed, and in particular no longer use mechanical polishing means.
  • Another object of the invention is to provide a structure, such as a semiconductor-on-insulator structure, comprising a sampled layer including a less stable material than Si, such as constrained Si or SiGe.
  • Another objective of the invention is to reduce the quantity of material sacrificed during the treatment of the sampled layer.
  • Another objective of the invention is to propose a simple method for treating the sampled layer and easily integrating into the entire sampling process using the Smart-Cut® technique.
  • the present invention seeks to overcome these problems by providing according to a first aspect, a process forming a structure comprising a layer removed from a donor wafer, the donor wafer comprising before sampling a first layer of Sii -x Ge x and a second layer on the first layer of Si y Ge y (x, y are respectively comprised between 0 and 1, and x being different from y), the method comprising the steps of:
  • step (d) is carried out at a temperature of between about 1000 ° C. and about 1200 ° C. for about 10 seconds to about 30 seconds; step (d) is carried out at a temperature around 1100 ° C. for about 10 seconds;
  • step (d) is carried out under a reducing atmosphere
  • step (d) is carried out under a reducing atmosphere of argon and hydrogen or under a reducing atmosphere of argon; a sacrificial oxidation of a part of the first layer is implemented between step (c) and step (d);
  • a plasma activation of at least one bonding surface is implemented before step (b);
  • step (b) A heat treatment of more than 30 minutes and capable of reinforcing the bonding is further implemented after step (b);
  • the atomic species implanted during step (a) consist of a single atomic element
  • the atomic species implanted during step (a) comprise two distinct atomic elements, step (a) thus being a co-implantation; after step (c), the method does not include the implementation of mechanical polishing means;
  • the method further comprises, after step (e), a crystal growth of Si y Ge y over the second layer to thicken the latter;
  • the donor plate further comprises a third layer SH- x Ge x on the second layer;
  • the donor wafer comprises a support substrate of bulk Si, a buffer structure made of SiGe, and a multilayer structure comprising alternating first layers of Si -x Ge x layers and second strained Ge y Si y, so as to achieve a plurality of samples from the same donor plate;
  • each layer of Si y Ge forces is a greater thickness than the equilibrium critical thickness
  • the method further comprises, before step (b), a step of forming a bonding layer on the donor plate (10) and / or on the receiving plate, the bonding layer comprising an electrically insulating material, as for example SiO 2 , Si 3 N 4 or Si x O y N z .
  • the invention proposes an application of said method of forming a structure, to the formation of a semiconductor-on-insulator structure.
  • FIGS. 1a to 1f show schematically the various steps of a method according to the invention for forming a structure comprising a layer taken by Smart-Cut®.
  • Figures 2a and 2b show schematically a first variant according to the invention.
  • Figures 3a and 3b show schematically a second variant according to the invention.
  • FIG. 4 represents results of measurements carried out by secondary ion mass spectrometry making it possible to determine the concentration of germanium in a strained silicon layer taken according to the invention, compared with concentrations of germanium in Si (unconstrained) calculated from diffusion constants of the literature.
  • FIG. 5 represents a comparative study of the germanium diffusion coefficients in an unstressed silicon layer and in a strained silicon layer.
  • FIG. 1a to 1e there is shown a first method for drawing a first layer of Si 1 -x Ge x (with xe [0; 1]) and a second layer 2 of Si y Ge y ( with ye [0; 1] and y ⁇ x), from a donor plate 10, to transfer them to a receiving plate 20, according to the invention.
  • a donor wafer 10 comprising the first layer of Si 1 -x Ge x layer and the second layer 2 of Si y Ge y to be removed, is illustrated.
  • a donor wafer 10 including the Si -x Ge x includes a 5-solid Si substrate on which was formed, such as by crystal growth, a buffer structure made of SiGe (not shown) composed of different layers.
  • the latter may have a gradual change in thickness of its Ge composition, ranging from 0% at the bulk Si substrate to about 100x% at the interface with the first layer 1 Sii -x Ge x (also preferentially formed by crystalline growth).
  • the thickness for the layer Sii -x Ge x may for example be chosen around 1 micrometer.
  • a second layer 2 of Si y Ge y is formed on the first layer of Si 1 -x Ge x.
  • the growth of the second layer 2 is carried out in situ, directly in continuity with the formation of the first layer 1.
  • the growth of the second layer 2 is carried out after a slight step of preparing the first layer 2.
  • surface of the first layer for example by CMP polishing.
  • the second layer 2 is advantageously formed by epitaxy using known techniques such as CVD and MBE techniques (abbreviations of "Chemical Vapor Deposition” and "Molecular Beam Epitaxy” respectively).
  • CVD and MBE techniques abbreviations of "Chemical Vapor Deposition” and "Molecular Beam Epitaxy” respectively.
  • the second layer 2 is then constrained by the first layer 1 so as to make its mesh parameter substantially identical to that of its growth substrate and thus present internal elastic stresses. These internal stresses are in tension if the silicon content in the alloy of the second layer 2 is greater than that of the first layer 1, and they are in compression in the opposite case. It is necessary to form a second thin layer 2: an excessively large layer thickness, greater than a critical equilibrium thickness, would indeed cause a relaxation of the stress in the thickness of this film towards the nominal mesh size parameter. Sii y Ge y and / or generation of defects. Reference can be made to Friedrich Schaffler's "High-mobility Si and Ge Structures"("Semiconductor Science Technology" 12 (1997) 1515-1549) for further details.
  • a weakened zone 4 is then formed in the donor wafer 10 in the second layer 2.
  • this implementation may be made in the first layer of Si 1 -x Ge x (as shown in Figure 1 (b).
  • This embrittlement zone 4 is formed by implantation of atomic species whose dosage, nature, and energy are chosen so as to determine an implant depth and a level of weakness. In particular, the energy of the implantation is determined so that the weakening zone is formed below the second layer 2.
  • this embrittlement zone 4 can be formed between about 1500 Angstroms and about 3000 Angstroms, and more particularly about 2000 Angstroms.
  • an implantation of hydrogen species at an energy of between 20 and 80 keV and a dose of between 3.10 16 and 10.10 16 atoms / cm 2 , more particularly an energy around 30 keV and a dose around 6.10 16 atoms / cm 2 . It will thus be possible to obtain an implant depth of the order of 1000 to 5000 Angstroms.
  • the parameters determining the implantation of atomic species are adjusted so as to minimize the roughness appearing at the zone of weakening 4 after detachment. Indeed, the extent of post-detachment roughness is partly related to these last parameters.
  • a co-implantation of atomic species such as for example a co-implantation of hydrogen, and helium or argon or other inert gas.
  • atomic species such as for example a co-implantation of hydrogen, and helium or argon or other inert gas.
  • the weakening zone 4 is often thinner than in the case of a simple implantation (see in particular FR 04/09980 for more details).
  • helium at approximately 1.10 16 / cm 2 and an energy of between 20 and 80 Kev
  • hydrogen 1.10 16 / cm 2 and an energy of between 20 and 80 Kev
  • Receiving plate 20 may be solid Si or other materials.
  • a bonding layer may be formed, such as a layer comprising SiO 2, Si 3 N 4 , Si x O y N z on one and / or the other of the surfaces. respective to be glued.
  • the technique used to form this bonding layer may be a deposit, in order to avoid any deterioration of the stresses in the second layer 2 or any consequent diffusion in the first layer 1.
  • a preparation of at least one of the surfaces to be bonded can optionally be carried out, using known techniques of cleaning and surface preparation such as SC1 and SC2 solutions, ozonated solutions, or others.
  • the bonding as such can be carried out firstly by molecular adhesion, taking into account the hydrophilicity that each of the two surfaces to be bonded has.
  • the plasma activation can be implemented so that in the end, after gluing and after sampling, the gluing energy is greater than or equal to about 0.8 JIm 2 .
  • the plasma may for example be obtained from an inert gas, such as Ar or N 2 , or from an oxidizing gas, such as IO 2 .
  • a low temperature annealing heat treatment (less than or equal to 800 ° C.) can be implemented before bonding, so as to further strengthen the bonding interface.
  • detachment of the layers taken at the weakening zone 4 is achieved by a supply of thermal energy and / or mechanical energy, sufficient to break the weak links at the level of the embrittlement 4, and thus detach the donor plate 10 in a first portion 10 'comprising a remainder of the first layer 1 'and a second part 30 comprising the other part of the first layer 1' and the second layer 2.
  • This thermal energy can then be sufficient to cause, at the level of the embrittlement zone 4, thermal effects on the gaseous species enclosed therein causing the breaking of the weak bonds.
  • the detachment may be obtained at temperatures between about 300 0 C and about 600 0 C for longer or shorter times depending on whether the temperature is respectively lower or higher. May for example implement, for a layer to be taken in Sii -x Ge x and Si-YGE there, a heat treatment at a temperature of about 500 0 C to about 600 0 C for a period ranging from 15 at 30 minutes up to 2 hours, and more particularly around 600 ° C.
  • the remaining portion of the donor plate 10 provides protection to the first and second layers 1 and 2 removed against possible contaminants, oxidants, or other species, which offers the possibility of implementing the new heat treatment in different atmospheres.
  • Heat treatment can also be done after the plates have been physically separated (and out of the detachment oven). This heat treatment can be implemented in addition to or in replacement of the plasma activation possibly used before bonding.
  • the heat treatment for reinforcing the bonding interface 6 is carried out at a temperature between about 35O 0 C and about 800 0 C, in particular between about 35O 0 C and about 700 0 C, particularly at about 600 0 C, maintained for about 30 minutes to about 4 hours, and is implemented so to sufficiently reinforce the bonding (and thus prevent the risk of edge delamination during the selective etching that will be implemented after sampling).
  • a rapid thermal annealing also called RTA, of the "Rapid Thermal Annealing” is implemented. implemented at a temperature greater than or equal to about 1000 0 C for a period not exceeding about 5 minutes.
  • This RTA is preferably carried out under a reducing atmosphere, such as an atmosphere of Argon and Hydrogen or Argon only.
  • RTA between about 1000 0 C and about 1200 0 C for about 10 to about 30 seconds, in particular at about 1100 0 C for about 10s.
  • This temperature of 1000 ° C. or more is a temperature which is conventionally not used when there are two layers 1 and 2 having different concentrations of Ge. Indeed, it has been recognized (see, for example, the paper by M. Griglione et al entitled “Diffusion of Ge in Sii -x Ge x / Si single quantum well in inert and oxidazing ambients" (Journal of Applied Physics, vol. 88, No. 3, August 1, 2000)) that the heat treatments carried out at these temperatures resulted diffusion of Ge from the layer having the Ge content the stronger toward the layer having the content of Ge lowest, thus tending to homogenize the Ge content in all of the two layers, and thus to no longer differentiate the physical and electrical properties of the two layers.
  • the Applicant has however made a series of studies on structures Sii -x Ge x / Si y Ge y forced / SiO 2 / Si plate solid obtained just after detachment, showing that the distribution of Ge during treatment with 800 0 C or more is not as marked as it was advanced.
  • the Applicant has demonstrated that an RTA as previously described can thus be implemented without the diffusion between the first layer 1 'and the second layer 2 is consistent.
  • the x-axis of the graph of FIG. 4 represents the depth probed in the samples tested, from the free surface of the first layer Y.
  • FIG. 4 is divided into a left part Y representing the first layer Y and a right part 2 representing the second layer 2, separated by a vertical line 12 representing the interface between the first layer 1 'and the second layer 2.
  • the "y" axis of Figure 4 represents the concentration of germanium found by the measurements.
  • the measurements were performed by secondary ion mass spectrometry on three samples, after these have undergone heat treatments at temperatures of 75O 0 C, 800 ° C and 85O 0 C for four hours, and the respective measurement results being represented by the diffusion profiles 62, 63 and 64.
  • Figure 4 further includes diffusion profiles calculated theoretically from the data provided in the document by M. Griglione et al. entitled “Diffusion of Ge in Si -x Ge x / Si single quantum wells and in inert ambients oxidazing" (Journal of Applied Physics, Vol. 88, No. 3, August 1, 2000), in which a study of a layer of relaxed silicon / Sio. ⁇ sGeo.is has been realized.
  • the diffusion profiles 52, 53, 54 are then found after having integrated in the calculations heat treatments, at temperatures of 75O 0 C, 800 0 C, 85O 0 C for four hours.
  • diffusion profiles 53, 54 tend to be closer to the initial profile (after epitaxy) than the diffusion profiles given in the state of the art (i.e. diffusion profiles 53, 54).
  • the Applicant has calculated the diffusion coefficient "D" (in square centimeters per second) (ie the y-axis) according to the temperature of the heat treatment performed on the samples (the abscissa axis representing the inverse of the temperature "T" in Kelvin multiplied by 10,000).
  • the points 83 and 84 respectively represent the scattering coefficients found from the measured diffusion profiles 63 and 64 of Figure 3.
  • the points 73 and 74 were found by Griglione (see the document reference above) and correspond to diffusions found after heat treatments respectively at 800 0 C and 85O 0 C for four hours.
  • the diffusion coefficients in the second strained Si layer 2 are of the order of four times lower than in a second relaxed Si layer 2, at the temperatures considered.
  • the results obtained by the Applicant thus show that the diffusion of Ge is surprisingly reduced in the case of a second layer 2 in Si constrained in relation to the case where she would be in Si relaxed.
  • Post-stripping heat treatments carried out at temperatures above the temperatures conventionally employed can then be envisaged.
  • the Applicant has thus implemented rapid thermal annealing at high temperature (RTA) according to the invention, and then demonstrated that their influence on the diffusion of germanium in the second layer 2 of Si constrained were much lower than what would have been deducted from prior technical education.
  • RTA rapid thermal annealing at high temperature
  • This latter post-detachment roughness could previously be limited by having previously adapted the implantation conditions, as previously seen (H and He co-implantation), and / or a fracture annealing at
  • the RTA can lead to an encapsulation of the oxide layer by smoothing effect of the SiGe layer on the plate edges, as described in the document FR 03/02623, which tends to limit further advantage delamination problems at the interface at the time of selective etching.
  • This sacrificial oxidation is implemented for example at a temperature below 65O 0 C.
  • the thickness removed may be around
  • the first layer the Sii -x Ge x is optionally removed to obtain a final Si y Ge y constrained structure on insulator. It may then be possible to thicken the thickness of Si-I- y Ge y constrained by epitaxy.
  • selective chemical etching can be carried out using chemical agents adapted to the materials in the presence.
  • the etching time is directly correlated with the speed of the etching. It is typically about 5 minutes for 800A to be etched with CH 3 COOH / H 2 O 2 / HF.
  • the first layer has a Ge concentration of less than or equal to 20% (ie x ⁇ 0.2) and the second layer 2 has a Ge concentration greater than 25% (ie y ⁇ 0). , 25), TMAH or KOH can then be used to remove the remainder of the first layer 1a.
  • the implementation of RTA possibly combined with the prior implementation of a co-implantation and / or a plasma activation and / or a low temperature thermal treatment for reinforcing the bonding interface and / or sacrificial oxidation, having considerably reduced the surface roughness and non-uniformity of thickness in the layers taken 1 and 2, makes it possible to implement a selective etching substantially identical to those of the state of the art but also by removing the disadvantages it could present, such as the need to previously implement mechanical polishing means.
  • the strengthening of the bonding (carried out at least by RTA) is sufficient to overcome the problems of edge delamination mentioned above.
  • a thin etching the surface layer of Sii -y strained Ge y (SC1 by treatment for example) can follow the selective etching to remove the surface of this layer, a thin layer of material wherein the Ge could disseminate.
  • the process may optionally be terminated by a high temperature stabilization step to close the bonding interface and / or by a furnace or RTA annealing to achieve a final smoothing of the coating layer.
  • a subsequent step of crystal growth e.g. epitaxy MBE or CVD
  • a subsequent step of crystal growth e.g. epitaxy MBE or CVD
  • the donor plate 10 comprises, successively before sampling, a first layer 1 made of Si 1 -x Ge x , a second layer 2 made of Si 1 -y Ge which then constrains, then a third layer of Si 3-x Ge x.
  • the embrittlement zone is then formed according to the invention beneath the second layer 2, for example in the first layer 1.
  • a selective etching of Si -x Ge x can then be implemented after RTA, in accordance with what was seen previously, so as to perform ultimately a 30 Si y Ge structure forced y / Sii -x Ge x on insulator (as shown in Figure 2b) with a second layer 2 of Si y Ge y constrained and a third layer 3 in
  • the second layer 2 of Si y Ge y constrained by crystal growth may be thickened.
  • the second layer 2 of strained Si not here plays the role of a barrier layer protecting the third layer of Si 3-x Ge x of the first etching.
  • a SiGeOI structure (not shown) is then obtained.
  • the donor wafer 10 before sampling comprises a multilayer structure comprising alternating first layers 1A, 1 B, 1C, 1 D, 1 E in Sii -x Ge x and second layers 2A, 2B, 2C, 2D, 2E in Si-i-yG ⁇ y constrained. It is thus possible to carry out a plurality of samples according to the invention from the same donor plate 10, each sample then being followed by recycling of the remaining part of the donor plate 10 in order to prepare it for a new sample.
  • a first structure 3OA Sii -y Ge y constrained on insulator and a second structure 3OB Sii -y Ge y constrained on insulator from the same donor plate 10 will be formed.
  • This type of sampling is taught in document US2004 / 0053477.
  • each stressed layer [referenced “2" in FIGS. 1a to 1f, 2a and 2b, and “2A”, “2B”, “2C”, “2D” or “2E” in FIGS. 3a and 3b] of the donor plate 10 is thick, that is to say that it has a thickness greater than the critical equilibrium thickness (thickness from which the elastic stresses begin to relax) without presenting any relaxation of its elastic constraints. This has been made possible by low temperature epitaxial formation.
  • a strained Si layer deposited at temperatures between about 45O 0 C and 65O 0 C on a growth support Si o, o 8GE, 2 can reach typically a thickness between about 30 nm and 60 nm without its constraints relax in one way or another.
  • thick stress layer will advantageously be implemented plasma activation before bonding (as discussed above) which is typically at an ambient temperature of less than about 100 0 C.
  • at least one layer bonding material of dielectric material such as SiO 2 , is advantageously formed on one or both surfaces to be bonded, this layer of dielectric material subsequently helping (ie after detachment) to retain the elastic stresses.
  • a post-detachment heat treatment at a temperature T can be implemented, T being advantageously less than the deposition temperature of the thick-stressed layer in the case where no bonding layer has been planned.
  • the man of the art can easily implement the invention in the case of minority species are added to the layers Sii Sii -x Ge x and y Ge y, for example by adding dopant species and / or a small amount of carbon (about 5% or less).

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Abstract

L'invention concerne un procédé de formation d'une structure (30) comprenant une couche prélevée (2) à partir d'une plaque donneuse (10), la plaque donneuse (10) comprenant avant prélèvement une première couche (1) en Si1-xGex et une deuxième couche (2) sur la première couche (1) en Si1-yGey (x, y étant respectivement compris entre 0 et 1, et x étant différent de y), le procédé comprenant les étapes suivantes : a) implantation d'espèces atomiques pour former une zone de fragilisation (4) sous la deuxième couche (2) ; b) collage de la plaque donneuse (10) à une plaque réceptrice (20) ; c) apport d'énergie pour détacher les couches prélevées (1' et 2) de la plaque donneuse (10) au niveau de la zone de fragilisation (4) ; d) recuit thermique rapide (encore appelé RTA) mis en oeuvre à une température égale ou supérieure à environ 1000°C pendant une durée ne dépassant pas 5 minutes ; e) gravure sélective de la partie restante de la première couche (1') vis à vis de la deuxième couche (2).

Description

Formation et traitement d'une structure en SiGe
La présente invention concerne un procédé de formation d'une structure comprenant une couche prélevée en matériau semi-conducteur à partir d'une plaque donneuse, la plaque donneuse comprenant avant prélèvement une première couche en Sii-xGex et une deuxième couche en Sii-yGey sur la première couche (x, y étant respectivement compris entre 0 et 1 , et x étant différent de y), le procédé comprenant les étapes successives suivantes : (a) implantation d'espèces atomiques pour former une zone de fragilisation sous la deuxième couche ;
(b) collage de la plaque donneuse à une plaque réceptrice ;
(c) apport d'énergie thermique et/ou mécanique pour détacher la couche prélevée de la plaque donneuse au niveau de la zone de fragilisation ;
(d) traitement de la couche prélevée.
Ce type de prélèvement de couches utilise la technique Smart-Cut®, bien connue de l'homme du métier. Un exemple de mise en œuvre d'un tel procédé de prélèvement est notamment décrit dans le document US2004/0053477 dans lequel la deuxième couche présente une structure cristallographique contrainte élastiquement par celle de la première couche.
L'étape (d) de traitement des couches prélevées est souvent nécessaire à mettre en œuvre pour retirer des zones défectueuses et réduire la rugosité présente en surface et qui sont principalement issues de la mise en œuvre des étapes (a) et (c). La zone défectueuse a une épaisseur se situant typiquement autour de 150 nm pour une implantation atomique d'hydrogène.
On pourra par exemple mettre en œuvre un polissage mécanique ou une planarisation mécano-chimique (« CMP ») pour rattraper la rugosité de surface, et/ou des étapes d'oxydation sacrificielle des zones défectueuses.
Le collage selon l'étape (b) étant classiquement réalisé par l'intermédiaire d'une couche en matériau isolant électrique, on pourra ainsi réaliser une structure semiconducteur-sur-isolant, telle qu'une structure Si-I- xGex / Si-i-yGβy sur isolant.
Comme divulgué dans US2004/0053477, une étape ultérieure à l'étape (d) peut être mise en œuvre de sorte à retirer la partie restante de la première couche, pour n'en conserver alors que la deuxième couche sur la plaque réceptrice. On pourra ainsi réaliser une structure Sii-yGey sur isolant. L'opération de retrait de la partie restante de la première couche peut être réalisée efficacement par gravure chimique sélective en employant des agents de gravure adaptés. La gravure chimique sélective permet notamment d'obtenir au final la couche souhaitée avec une bonne qualité de surface, sans risquer de trop l'endommager (ce qui pourrait être le cas si on mettait en œuvre un unique polissage).
Cependant, la gravure chimique sélective nécessite une préparation préalable de la surface de gravure, typiquement réalisée par des moyens mécaniques de polissage. En effet, cette préparation à la gravure reste nécessaire pour diminuer la rugosité importante qui pourrait par la suite provoquer une gravure localement trop inhomogène apte à créer des défauts traversants ou trous dans la deuxième couche.
Or les actions successives d'un polissage et d'une gravure chimique rendent l'étape de finition post-détachement (ainsi que l'ensemble du procédé de prélèvement) longue, complexe et coûteuse d'un point de vue économique.
En outre, la gravure chimique peut dans certains cas amener des problèmes de décollement au moins partiel de l'interface de collage. En effet elle peut en particulier délaminer en bord la couche de collage, c'est à dire attaquer cette dernière au niveau de son affleurement par la tranche de la structure réalisée. On pourra citer par exemple le cas d'un traitement HF sur une structure sSOI (« strained Silicon On Insulator ») comprenant du
SiO2 enterré sous le Si contraint, ou le cas d'un traitement H2O2:HF:HAc (HAc étant l'abréviation d'acide acétique) sur une structure sSi/SiGeOI
(« strained Silicon on SiGe On Insulator »), où les couches de SiGe et de SiO2 enterrées sont susceptibles d'être gravées sous la couche de Si contraint.
Les résultats obtenus en terme de qualité du produit final ne sont donc pas satisfaisants. Une alternative qui pourrait être envisagée pour contourner ce dernier problème serait de diluer plus fortement les agents de gravure de sorte à pouvoir mieux contrôler leur action. Mais cette solution n'est pas satisfaisante car elle ne résout pas totalement le problème de délamination en allongeant sensiblement la durée du procédé. Une autre solution qui pourrait être envisagée serait de renforcer l'interface de collage avant la gravure, de sorte à rendre cette interface plus résistante aux agents chimiques. A cet effet, un traitement thermique de stabilisation post-détachement à environ 10000C ou plus pendant quelques heures pourrait être envisagé. Cependant, cette solution bien connue dans la réalisation de structure SOI (« Silicon On Insulator »), n'est pas adaptée au cas du transfert de couches hétérogènes en Sii-xGex et en Sii-yGey. En effet, un tel traitement thermique entraîne la diffusion de Ge de la couche possédant la teneur en Ge la plus forte vers la couche possédant la teneur en Ge la plus faible, tendant ainsi à homogénéiser la teneur en Ge dans l'ensemble des deux couches, et ainsi à ne plus différencier les propriétés physiques et électriques des deux couches.
Or, si les deux couches deviennent ainsi essentiellement identiques, la gravure ultérieure ne pourra plus être sélective. De plus, il est souvent souhaitable d'éviter toute diffusion d'une couche à l'autre. C'est notamment le cas lorsque la deuxième couche est en Si contraint (i.e. y = 0) et qu'on souhaite au final obtenir une structure sSOI pour bénéficier pleinement des propriétés électriques d'une telle structure (i.e. mobilité des charges accruées). Ainsi, la température de traitement est limitée par la diffusion du Ge d'une couche à l'autre (cette diffusion débutant typiquement autour de 8000C), et le renforcement réalisé à basse température ne peut alors être que partiel. Le problème de délamination subsiste donc.
Un objectif de l'invention est d'éviter la délamination en bord de la couche de collage lors de la mise en œuvre d'une gravure chimique de finition.
Un autre objectif de l'invention est de diminuer la durée, le coût économique, et le nombre des moyens de traitement, après l'étape (c), des couches prélevées, et en particulier ne plus utiliser de moyens mécaniques de polissage. Un autre objectif de l'invention est de réaliser une structure, telle qu'une structure semiconducteur-sur-isolant, comprenant une couche prélevée incluant un matériau moins stable que le Si, tel que le Si contraint ou le SiGe.
Un autre objectif de l'invention est de diminuer la quantité de matière sacrifiée lors du traitement de la couche prélevée.
Un autre objectif de l'invention est de proposer une méthode simple de traitement de la couche prélevée et s'intégrant facilement dans l'ensemble du procédé de prélèvement utilisant la technique Smart-Cut®.
La présente invention tente de pallier ces problèmes en proposant selon un premier aspect, un procédé de formation d'une structure comprenant une couche prélevée à partir d'une plaque donneuse, la plaque donneuse comprenant avant prélèvement une première couche en Sii-xGex et une deuxième couche sur la première couche en Sii-yGey (x, y étant respectivement compris entre 0 et 1 , et x étant différent de y), le procédé comprenant les étapes suivantes :
(a) implantation d'espèces atomiques pour former une zone de fragilisation sous la deuxième couche ;
(b) collage de la plaque donneuse à une plaque réceptrice ; (c)apport d'énergie pour détacher les couches prélevées de la plaque donneuse au niveau de la zone de fragilisation ; (d) recuit thermique rapide (encore appelé RTA) mis en œuvre à une température égale ou supérieure à environ 10000C pendant une durée ne dépassant pas 5 minutes ;
(e) gravure sélective de la partie restante de la première couche vis à vis de la deuxième couche.
D'autres caractéristiques possibles de l'invention sont :
- l'étape (d) est mise en œuvre à une température comprise entre environ 10000C et environ 12000C pendant environ 10 secondes à environ 30 secondes ; - l'étape (d) est mise en œuvre à une température autour de 11000C pendant environ 10 secondes ;
- l'étape (d) est mise en œuvre sous atmosphère réductrice ;
- l'étape (d) est mise en œuvre sous atmosphère réductrice d'argon et d'hydrogène ou sous atmosphère réductrice d'argon ; - une oxydation sacrificielle d'une partie de la première couche est mise en œuvre entre l'étape (c) et l'étape (d) ;
- une activation plasma d'au moins une surface de collage est mise en œuvre avant l'étape (b) ;
- un traitement thermique de plus de 30 minutes environ et apte à renforcer le collage est en outre mis en œuvre après l'étape (b) ;
- les espèces atomiques implantées lors de l'étape (a) sont constituées d'un seul élément atomique ;
- les espèces atomiques implantées lors de l'étape (a) comprennent deux éléments atomiques distincts, l'étape (a) étant ainsi une co-implantation ; - après l'étape (c), le procédé ne comprend pas la mise en œuvre de moyens mécaniques de polissage ;
- le procédé comprend en outre, après l'étape (e), une croissance cristalline de Sii-yGey sur la deuxième couche pour épaissir cette dernière ;
- la deuxième couche est en Sii-yGey contraint élastiquement ; - la plaque donneuse comprend en outre une troisième couche en SH- xGex sur la deuxième couche ; - la plaque donneuse comprend un substrat support en Si massif, une structure tampon en SiGe, et une structure multicouche comprenant alternativement des premières couches en Sii-xGex et des deuxièmes couches en Sii-yGey contraint, de sorte à pouvoir réaliser une pluralité de prélèvements à partir de la même plaque donneuse ;
- chaque couche en Sii-yGey contraint a une épaisseur plus grande que l'épaisseur critique d'équilibre ;
- le procédé comprend en outre, avant l'étape (b), une étape de formation d'une couche de collage sur la plaque donneuse (10) et/ou sur la plaque réceptrice, la couche de collage comprenant un matériau isolant électriquement, tel que par exemple du SiO2, du Si3N4 ou du SixOyNz.
Selon un deuxième aspect, l'invention propose une application dudit procédé de formation d'une structure, à la formation d'une structure semiconducteur-sur-isolant. D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de mise en œuvre de procédés préférés de celle-ci, donnés à titre d'exemples non limitatif et faits en référence aux dessins annexés pour lesquels :
Les figures 1a à 1f représentent schématiquement les différentes étapes d'un procédé selon l'invention pour former une structure comprenant une couche prélevée par Smart-Cut®.
Les figures 2a et 2b représentent schématiquement une première variante selon l'invention.
Les figures 3a et 3b représentent schématiquement une deuxième variante selon l'invention.
La figure 4 représente des résultats de mesures réalisées par spectrométrie de masse d'ions secondaires permettant de déterminer la concentration de germanium dans une couche de silicium contraint prélevée selon l'invention, comparés à des concentrations de germanium dans du Si (non contraint) calculées à partir de constantes de diffusion de la littérature. La figure 5 représente une étude comparative des coefficients de diffusion de germanium dans une couche de silicium non contraint et dans une couche de silicium contraint.
Nous représentons ci-dessous des exemples de mises en œuvre de procédés selon l'invention, ainsi que d'applications selon l'invention, basés sur des couches prélevées par Smart-Cut® en matériau ou en alliage de type IV, et en particulier en Si et en SiGe.
En référence aux figures 1a à 1e, est illustré un premier procédé de prélèvement d'une première couche 1 en Sii-xGex (avec x e [0 ;1]) et d'une deuxième couche 2 en Sii-yGey (avec y e [0 ;1] et y ≠ x), à partir d'une plaque donneuse 10, pour les transférer sur une plaque réceptrice 20, selon l'invention.
En référence à la figure 1a, une plaque donneuse 10, comprenant la première couche 1 en Sii-xGex et la deuxième couche 2 en Sii-yGey à prélever, est illustrée.
De manière classique, une plaque donneuse 10 incluant du Sii-xGex, comprend un substrat 5 massif en Si sur lequel a été formée, par exemple par croissance cristalline, une structure tampon en SiGe (non représentée) composée de différentes couches. En particulier, cette dernière peut avoir une évolution graduelle en épaisseur de sa composition en Ge, allant de 0% au niveau du substrat massif en Si jusqu'à environ 100x% au niveau de l'interface avec la première couche 1 en Sii-xGex (elle aussi préférentiellement formée par croissance cristalline). L'épaisseur pour la couche Sii-xGex peut par exemple être choisie autour de 1 micromètre. Une deuxième couche 2 en Sii-yGey est formée sur la première couche 1 en Sii-xGex. Dans un premier cas, la croissance de la deuxième couche 2 est réalisée in situ, directement en continuité de la formation de la première couche 1. Dans un deuxième cas, la croissance de la deuxième couche 2 est réalisée après une légère étape de préparation de surface de la première couche 1 , par exemple par polissage CMP. La deuxième couche 2 est avantageusement formée par épitaxie en utilisant les techniques connues telles que les techniques CVD et MBE (abréviations respectives de « Chemical Vapor Déposition » et « Molecular Beam Epitaxy »). Ainsi, pour une première couche 1 en Sio,δGeo,2 et une deuxième couche 2 en Si contraint (i.e. y = 0), on pourra former une deuxième couche 2 ayant une épaisseur comprise entre environ 100 Angstrόms et environ 800 Angstrόms.
Etant donné que la concentration en silicium dans les deux couches 1 et 2 est différente, la deuxième couche 2 est alors contrainte par la première couche 1 de façon à rendre son paramètre de maille sensiblement identique à celui de son substrat de croissance et présenter ainsi des contraintes élastiques internes. Ces contraintes internes sont en tension si la teneur en silicium dans l'alliage de la deuxième couche 2 est supérieure à celle de la première couche 1 , et elles sont en compression dans le cas contraire. Il est nécessaire de former une deuxième couche 2 assez mince : une épaisseur de couche trop importante, supérieure à une épaisseur critique d'équilibre, provoquerait en effet une relaxation de la contrainte dans l'épaisseur de ce film vers le paramètre de maille nominal du Sii-yGey et/ou une génération de défauts. On pourra se référer au document intitulé "High-mobility Si and Ge structures" de Friedrich Schàffler ("Semiconductor Science Technology" 12 (1997) 1515-1549) pour plus de précisions à ce sujet.
Toutefois, dans le cas particulier d'un dépôt de matériau contraint à une température suffisamment basse, il peut devenir possible de former une telle deuxième couche contrainte 2 ayant une épaisseur supérieure à l'épaisseur critique d'équilibre (discuté plus loin).
En référence à la figure 1b, une zone de fragilisation 4 est ensuite formée dans la plaque donneuse 10 sous la deuxième couche 2. En particulier, cette implantation peut être faite dans la première couche 1 en Sii-xGex (tel que représenté sur la figure 1 b).
Cette zone de fragilisation 4 est formée par implantation d'espèces atomiques dont le dosage, la nature, et l'énergie sont choisis de sorte à déterminer une profondeur d'implant et un niveau de fragilisation. En particulier, l'énergie de l'implantation est déterminée de sorte que la zone de fragilisation se forme en dessous de la deuxième couche 2. Pour une première couche 1 d'épaisseur d'environ 0,5 micromètre ou plus et une deuxième couche 2 d'épaisseur comprise entre environ 100 Angstrόms et environ 800 Angstrόms, par exemple d'environ 200 Angstrόms, on pourra former cette zone de fragilisation 4 entre environ 1 500 Angstrόms et environ 3 000 Angstrόms, et plus particulièrement à environ 2 000 Angstrόms. On pourra par exemple mettre en œuvre une implantation d'espèces hydrogène à une énergie comprise entre 20 et 80 keV et une dose comprise entre 3.1016 et 10.1016 atomes/cm2, plus particulièrement une énergie autour de 30 keV et une dose autour de 6.1016 atomes/cm2. On pourra ainsi obtenir une profondeur d'implant de l'ordre de 1 000 à 5 000 Angstrόms. Optionnellement, les paramètres déterminant l'implantation d'espèces atomiques sont ajustés de sorte à minimiser les rugosités apparaissant au niveau de la zone de fragilisation 4 après détachement. En effet, l'ampleur des rugosités post-détachement est en partie liée à ces derniers paramètres. Ainsi, on pourra choisir de mettre en œuvre une co- implantation d'espèces atomiques, telle que par exemple une co- implantation d'hydrogène, et d'hélium ou d'Argon ou d'un autre gaz inerte. Dans le cas d'une co-implantation, il a en effet été remarqué que la zone de fragilisation 4 est souvent plus fine que dans le cas d'une simple implantation (voir en particulier FR 04/09980 pour plus de précisions). Ainsi, pour une co-implantation avec de l'hélium à environ 1.1016/cm2 et une énergie comprise entre 20 et 80 Kev et de l'hydrogène à 1.1016/cm2 et une énergie comprise entre 20 et 80 Kev, on pourra obtenir une profondeur d'implant de l'ordre de 1 000 à 5 000 Angstrόms.
En référence à la figure 1c, une étape de collage d'une plaque réceptrice 20 avec la face de la plaque donneuse 10 ayant subi la co- implantation, est mise en œuvre. La plaque réceptrice 20 peut être en Si massif ou en d'autres matériaux.
Antérieurement à l'étape de collage, une couche de collage pourra être formée, telle qu'une couche comprenant du Siθ2, du Si3N4, du SixOyNz sur l'une et/ou l'autre des surfaces respectives à coller. La technique employée pour former cette couche de collage pourra être un dépôt, afin d'éviter toute détérioration des contraintes dans la deuxième couche 2 ou toute diffusion conséquente dans la première couche 1.
Antérieurement à la mise en contact de la plaque réceptrice 20 avec la plaque donneuse 10, une préparation d'au moins une des surfaces à coller peut éventuellement être mise en œuvre, en employant les techniques connues de nettoyage et de préparation de surface telles que des solutions SC1 et SC2, des solutions ozonées, ou autres.
Le collage en tant que tel peut être en premier lieu réalisé par adhésion moléculaire, en prenant en compte l'hydrophilie que présente chacune des deux surfaces à coller.
On pourra aussi mettre en œuvre une activation plasma d'une ou des deux surfaces de collage juste avant de réaliser le collage, permettant principalement de renforcer la future interface de collage sans mettre en œuvre de traitement thermique haute température. En particulier, l'activation plasma peut être mise en œuvre pour qu'au final, après collage et après prélèvement, l'énergie de collage soit supérieure ou égale à environ 0,8 JIm2. Le plasma peut être par exemple obtenu à partir d'un gaz inerte, comme l'Ar ou le N2, ou à partir d'un gaz oxydant, comme IO2. Eventuellement, un traitement thermique de recuit à basse température (inférieur ou égal à 8000C) peut être mis en œuvre avant collage, de sorte à renforcer encore plus l'interface de collage.
En référence à la figure 1d, un détachement des couches prélevées au niveau de la zone de fragilisation 4 est réalisée grâce à un apport d'énergie thermique et/ou d'énergie mécanique, suffisant pour casser les liaisons faibles au niveau de la zone de fragilisation 4, et ainsi détacher la plaque donneuse 10 en une première partie 10' comprenant un reste de la première couche 1" et en une deuxième partie 30 comprenant l'autre partie de la première couche l' et la deuxième couche 2. Cette énergie thermique peut alors être suffisante pour provoquer, au niveau de la zone de fragilisation 4, des effets thermiques sur les espèces gazeuses qui y sont enfermées provoquant la rupture des liaisons faibles.
Le détachement pourra être obtenue à des températures comprises entre environ 3000C et environ 6000C pendant des temps plus ou moins longs selon que, respectivement, la température est moins ou plus élevée. On pourra par exemple mettre en œuvre, pour une couche à prélever en Sii-xGex et en Sii-yGey, un traitement thermique à une température d'environ 5000C à environ 6000C pendant une durée pouvant aller de 15 à 30 minutes jusqu'à 2 heures, et plus particulièrement autour de 6000C.
Dans le cas où le détachement est réalisé uniquement par traitement thermique, cela peut permettre de réaliser le détachement sans nécessairement retirer le contact avec la partie restante de la plaque donneuse 10'.
Dans ce dernier cas, et optionnellement, on pourra réaliser un nouveau traitement thermique directement à la suite du détachement, sans sortir les plaques du four (dans lequel a eu lieu le traitement thermique de détachement), et sans effectuer de manipulations supplémentaires qui représenteraient une perte de temps, et nécessiteraient d'utiliser un matériel approprié. En outre, la partie restante de la plaque donneuse 10' offre une protection aux première et deuxième couches l' et 2 prélevées contre d'éventuels contaminants, oxydants, ou autres espèces, ce qui offre la possibilité de mettre en œuvre le nouveau traitement thermique dans des atmosphères diverses.
Un traitement thermique pourra aussi tout à fait s'effectuer après que les plaques aient été physiquement séparées (et sorties du four de détachement). Ce traitement thermique peut être mis en œuvre en complément ou en remplacement de l'activation plasma éventuellement mise en œuvre avant collage. Dans tous les cas, le traitement thermique de renforcement de l'interface de collage 6 est réalisé à une température comprise entre environ 35O0C et environ 8000C, en particulier entre environ 35O0C et environ 7000C, en particulier à environ 6000C, maintenue pendant environ 30 minutes à environ 4 heures, et est mis en œuvre de sorte à renforcer suffisamment le collage (et empêcher donc des risques de délamination en bord lors de la gravure sélective qui sera mise en œuvre après prélèvement).
Selon l'invention, on met ensuite en œuvre, après détachement, avec ou sans la précédente étape de renforcement de l'interface de collage, un recuit thermique rapide (encore appelé RTA, de l'anglo-saxon « Rapid Thermal Annealing ») mis en œuvre à une température supérieure ou égale à environ 10000C, pendant une durée n'excédant pas environ 5 minutes.
Ce RTA est préférentiellement réalisé sous atmosphère réductrice, telle qu'une atmosphère d'Argon et d'Hydrogène ou d'Argon uniquement.
Par exemple, on pourra mettre en œuvre un tel RTA entre environ 10000C et environ 12000C pendant environ 10 à environ 30 secondes, en particulier à environ 11000C pendant environ 10s.
Cette température de 10000C ou plus est une température qui est classiquement non employée lorsqu'on est en présence de deux couches 1 et 2 ayant des concentrations de Ge différentes. En effet, il a été reconnu (voir par exemple le document de M. Griglione et coll. intitulé « Diffusion of Ge in Sii-xGex/Si single quantum wells in inert and oxidazing ambients » (Journal of Applied Physics, vol. 88, n° 3, 1er août 2000)) que des traitements thermiques effectués à ces températures entraînaient la diffusion de Ge de la couche possédant la teneur en Ge la plus forte vers la couche possédant la teneur en Ge la plus faible, tendant ainsi à homogénéiser la teneur en Ge dans l'ensemble des deux couches, et ainsi à ne plus différencier les propriétés physiques et électriques des deux couches. Cette diffusion n'est pas souhaitée dans le cadre de l'invention, ainsi que dans la plupart des procédés classiques, notamment parce qu'une différentiation des couches l' et 2 va permettre de mettre en œuvre ultérieurement une gravure sélective de la première couche l' vis à vis de la deuxième couche 2. C'est pourquoi les procédés connus, comme il a été précisé plus haut, ont été mis en œuvre au moyen de techniques permettant de rester en dessous de 10000C, et plus particulièrement en dessous de 8000C (voir en particulier FR 04/09980).
La Demanderesse a cependant réalisé des séries d'études sur des structures Sii-xGex / Sii-yGey contraint / SiO2 / plaque en Si massif obtenues juste après détachement, montrant que la diffusion de Ge lors d'un traitement à 8000C ou plus n'est pas aussi marquée que ce qui était avancée. Notamment, la Demanderesse a mis en évidence qu'un RTA tel que précédemment décrit peut être ainsi mis en œuvre sans que la diffusion entre la première couche l' et la deuxième couche 2 soit conséquente.
En référence à la figure 4, est représentée une série de ces résultats obtenus par la Demanderesse.
Les mesures ont été effectuées sur des structures 30 chacune similaire à la structure 30 représentée sur la figure 1e, obtenue après détachement des couches prélevées Y et 2. La première couche Y était, dans le cadre de cette étude, de 20 % de germanium (i.e. x = 0,2) et d'une épaisseur d'environ 200 Angstrόms, et la deuxième couche 2 était en silicium contraint (i.e. y = 0) et d'une épaisseur environ égale à 200 Angstrόms. L'axe des abscisses du graphique de la figure 4 représente la profondeur sondée dans les échantillons testés, à partir de la surface libre de la première couche Y.
La figure 4 est divisée en une partie gauche Y représentant la première couche Y et une partie droite 2 représentant la deuxième couche 2, séparées par un trait vertical 12 représentant l'interface entre la première couche l' et la deuxième couche 2.
L'axe des « y » de la figure 4 représente la concentration de germanium trouvée au moyen des mesures.
Les mesures ont été réalisées par spectrométrie de masse d'ions secondaires sur trois échantillons, après que ceux-ci aient subi des traitements thermiques à des températures de 75O0C, 800°C et 85O0C pendant quatre heures, et les résultats de mesures respectifs étant représentés par les profils de diffusion 62, 63 et 64.
Conformément à ce qui a déjà été observé dans l'état de la technique, on observe que plus on augmente la température autour de 8000C, plus la diffusion de germanium se fait dans la profondeur de la couche 2 de silicium sous-jacente à la couche Y de Sio,8Geo,2-
La figure 4 comprend en outre des profils de diffusion calculés de façon théorique à partir des données fournies dans le document de M. Griglione et coll. intitulé « Diffusion of Ge in Sii-xGex/Si single quantum wells in inert and oxidazing ambients » (Journal of Applied Physics, vol. 88, n° 3, 1er août 2000), dans lequel une étude d'une couche de silicium relaxé/Sio.δsGeo.is a été réalisée. Les profils de diffusion 52, 53, 54 sont alors trouvés après avoir intégré dans les calculs des traitements thermiques, à des températures respectives de 75O0C, 8000C, 85O0C pendant quatre heures.
En comparant respectivement les profils de diffusion mesurés 62, 63, 64 et théoriques correspondants 52, 53, 54, on constate qu'on trouve nettement moins de Ge dans la deuxième couche 2 en Si contraint en éloignement de l'interface 12 avec la première couche Y dans le cadre des mesures effectuées par la Demanderesse, que dans le cas théorique d'une deuxième couche 2 en Si relaxé. Cette différence de concentration de Ge entre les mesures et la théorie est d'ailleurs d'autant plus importante que l'on s'éloigne de l'interface 12 entre les deux couches. C'est notamment à partir d'une profondeur d'environ 10 Angstrόms sous l'interface 12 que les différences entre la théorie et les mesures deviennent sensibles. Ces différences sont résumées dans le tableau ci-dessous, donnant les rapports entre les concentrations de Ge calculées en théorie et les concentrations de Ge mesurées par la Demanderesse :
Les différences entre la théorie et les mesures dans le cas d'un traitement thermique effectué préalablement à 75O0C, sont moins importantes lorsqu'on compare les profils de diffusion 62 et 52. En outre, une mesure sur un échantillon n'ayant pas subi de traitement thermique a donné un profil de diffusion quasiment identique à celui donné sur un échantillon traité à 75O0C. La Demanderesse a ainsi confirmé que le profil de diffusion ne change pas sensiblement entre la température ambiante et 75O0C. En revanche, la Demanderesse a montré que les profils de diffusion
62 et 63 tendent à se rapprocher davantage du profil initial (après épitaxie) que les profils de diffusion donnés dans l'état de la technique (i.e. profils de diffusion 53, 54).
En référence à la figure 5, la Demanderesse a calculé le coefficient de diffusion « D » (en centimètres carré par seconde) (i.e. l'axe des y) selon la température du traitement thermique effectué sur les échantillons (l'axe des abscisses représentant l'inverse de la température « T » en Kelvin multiplié par 10 000).
Les points 83 et 84 représentent respectivement les coefficients de diffusion trouvés à partir des profils mesurés de diffusion 63 et 64 de la figure 3. Les points 73 et 74 ont été trouvés par Griglione (voir la référence du document ci-dessus) et correspondent à des diffusions trouvées après traitements thermiques respectifs à 8000C et 85O0C pendant quatre heures.
On constate alors que les coefficients de diffusion dans la deuxième couche 2 en Si contraint sont de l'ordre de quatre fois plus faible que dans une deuxième couche 2 en Si relaxé, aux températures considérées.
Les résultats obtenus par la Demanderesse montrent ainsi que la diffusion de Ge est étonnement réduite dans le cas d'une deuxième couche 2 en Si contraint par rapport au cas où elle serait en Si relaxé. Des traitements thermiques post-détachement réalisés à des températures supérieures aux températures classiquement employées peuvent alors être envisagés. La Demanderesse a ainsi mis en œuvre des recuits thermiques rapides à haute température (RTA) selon l'invention, et a alors mis en évidence que leurs influences sur la diffusion de germanium dans la deuxième couche 2 de Si contraint étaient bien moindres que ce qui aurait été déduit de l'enseignement technique antérieur. La mise en œuvre d'un RTA permet alors à la fois de réduire la rugosité post-détachement avant la gravure sélective, et de stabiliser suffisamment l'interface de collage pour limiter les problèmes de délamination lors de cette gravure sélective.
Cette dernière rugosité post-détachement a pu être auparavant limitée en ayant adapté au préalable les conditions d'implantation, comme vu précédemment (co implantation H et He), et/ou un recuit de fracture à
6000C, de manière à réduire la rugosité.
En outre, le RTA peut conduire à un encapsulement de la couche d'oxyde par effet de lissage de la couche de SiGe sur les bords de plaque, tel que décrit dans le document FR 03/02623, ce qui tend à limiter encore d'avantage les problèmes de délamination au niveau de l'interface au moment de la gravure sélective.
Eventuellement, on pourra mettre en œuvre, préalablement au RTA, une oxydation sacrificielle d'une partie de la première couche l', qui aura alors pour effet de réduire l'épaisseur de Sii-xGex à retirer par gravure et de diminuer encore les rugosités avant la mise en œuvre du RTA.
Cette oxydation sacrificielle est mise en œuvre par exemple à une température inférieure à 65O0C. L'épaisseur retirée peut se situer autour de
500 A à 1500 A, préférentiellement autour de 1000 A, selon l'épaisseur de la première couche restante l'.
En référence à la figure 1f, la première couche l' de Sii-xGex est éventuellement enlevée afin d'obtenir une structure finale Sii-yGey contraint sur isolant. On pourra ensuite éventuellement épaissir l'épaisseur de Si-I- yGey contraint par épitaxie.
Pour enlever sélectivement la couche l' en Sii-χGex, on pourra mettre en œuvre une gravure chimique sélective en employant des agents chimiques adaptés aux matériaux en présence.
Ainsi, selon un premier exemple, la deuxième couche 2 est en Si contraint (i.e. y = 0), on pourra alors utiliser du HF:H2O2:CH3COOH, du SC1 (NH4OH / H2O2 / H2O), ou HNA (HF/HNO3/H2O) pour enlever le reliquat de la première couche l' Aussi, une sélectivité d'environ 40:1 entre le SiGe et le sSi peut être obtenue avec du CH3COOH/H2O2/HF.
Un exemple de concentration qui peut être choisie pour le CH3COOH/H2O2/HF est 4 :3 :0.25, et pour le SC1 est 1 :1 :5.
Le temps de gravure est directement corrélé avec la vitesse de la gravure. Il est typiquement d'environ 5 minutes pour 800A à graver avec du CH3COOH/H2O2/HF.
Ainsi, selon un deuxième exemple, la première couche l' a une concentration de Ge inférieure ou égale à 20% (i.e. x < 0,2) et la deuxième couche 2 a une concentration de Ge supérieure à 25% (i.e. y ≥ 0,25), on pourra alors utiliser du TMAH ou du KOH pour enlever le reliquat de la première couche l'.
Ainsi, la mise en œuvre du RTA, éventuellement combinée à la mise en œuvre préalable d'une co-implantation et/ou d'une activation plasma et/ou d'un traitement thermique basse température de renforcement de l'interface de collage et/ou d'une oxydation sacrificielle, ayant considérablement diminué les rugosités superficielles et les non-uniformités d'épaisseur dans les couches prélevées l' et 2, permet de mettre en œuvre une gravure sélective sensiblement identique à celles de l'état de la technique, mais en supprimant aussi les inconvénients qu'elle pouvait présenter, tels que la nécessité de mettre en œuvre préalablement des moyens mécaniques de polissage. En outre, le renforcement du collage (réalisé au moins par RTA) est suffisant pour s'affranchir des problèmes de délamination en bord évoqués plus haut.
Enfin, une fine gravure de la couche superficielle du Sii-yGey contraint (par traitement SC1 par exemple) peut suivre la gravure sélective pour retirer en surface de cette couche, une fine épaisseur de matériaux dans laquelle le Ge aurait pu diffuser.
Le procédé peut éventuellement être terminée par une étape de stabilisation haute température pour fermer l'interface de collage et/ou par un recuit de type four ou RTA pour réaliser un lissage final de la couche de
Sii-xGex contraint, s'il est nécessaire d'améliorer encore le niveau de rugosité obtenu après gravure sélective.
Eventuellement, est mise en œuvre une étape ultérieure de croissance cristalline (épitaxie par exemple MBE ou CVD) pour épaissir la deuxième couche 2 en Sii-yGey contraint.
Selon une deuxième variante de l'invention, en référence aux figures 2a et 2b, la plaque donneuse 10 comprend successivement avant prélèvement, une première couche 1 en Sii-xGex, une deuxième couche 2 en Sii-yGey contraint, puis une troisième couche 3 en Sii-xGex. La zone de fragilisation est alors formée selon l'invention sous la deuxième couche 2, par exemple dans la première couche 1. Une gravure sélective du Sii-xGex peut alors être mise en œuvre après RTA, conformément à ce qui a été vu précédemment, de sorte à réaliser au final une structure 30 Sii-yGey contraint / Sii-xGex sur isolant (telle que représentée sur la figure 2b) avec une deuxième couche 2 en Sii-yGey contraint et une troisième couche 3 en
Optionnellement, on pourra éventuellement épaissir la deuxième couche 2 en Sii-yGey contraint par croissance cristalline.
Optionnellement et alternativement, une deuxième gravure chimique sélective du Sii-yGey contraint peut alors être réalisée
Dans le cas où x = 0, (i.e. la deuxième couche 2 est en Si contraint) des espèces chimiques à base par exemple de KOH (hydroxyde de potassium), de NH4OH (hydroxyde d'ammonium), de TMAH (hydroxyde de tetraméthyl d'ammonium), d'EDP (diamine d'éthylène / pyrocatechol / pyrazine) pourront alors être mis en œuvre. Dans ce cas, la deuxième couche 2 en Si contraint ne joue ici le rôle que d'une couche d'arrêt protégeant la troisième couche 3 en Sii-xGex de la première attaque chimique. On obtient alors une structure 30 SiGeOI (non représentée). Eventuellement, on pourra faire croître une couche de Si contraint sur le SiGeOI, cette nouvelle couche contrainte pouvant alors avoir une structure cristalline de meilleure qualité que la première couche 1 qui a été gravée auparavant.
Selon une troisième variante de l'invention, en référence aux figures 3a et 3b, la plaque donneuse 10 comprend avant prélèvement une structure multicouche comprenant alternativement des premières couches 1A,1 B,1C,1 D,1 E en Sii-xGex et des deuxièmes couches 2A,2B,2C,2D,2E en Si-i-yGβy contraint. On peut ainsi réaliser une pluralité de prélèvements selon l'invention à partir de la même plaque donneuse 10, chaque prélèvement étant alors suivi d'un recyclage de la partie restante de la plaque donneuse 10 afin de la préparer à un nouveau prélèvement. On formera ainsi par exemple une première structure 3OA Sii-yGey contraint sur isolant et une deuxième structure 3OB Sii-yGey contraint sur isolant à partir de la même plaque donneuse 10. Ce type de prélèvement est enseigné dans le document US2004/0053477.
Selon un cas particulier de l'invention, chaque couche contrainte [référencée « 2 » dans les figures 1a à 1f, 2a et 2b, et « 2A », « 2B », « 2C », « 2D » ou « 2E » dans les figures 3a et 3b] de la plaque donneuse 10 est épaisse, c'est à dire qu'elle a une épaisseur supérieure à l'épaisseur critique d'équilibre (épaisseur à partir de laquelle les contraintes élastiques commencent à se relâcher) sans présenter de relâchement de ses contraintes élastiques. Ceci a été rendu possible grâce à une formation par épitaxie à basse température. Par exemple, une couche de Si contraint déposée à des températures comprises entre environ 45O0C et 65O0C sur un support de croissance en Sio,8Geo,2 peut atteindre typiquement une épaisseur comprise entre environ 30 nm et 60 nm sans que ses contraintes se relâchent d'une façon ou d'une autre.
Si on forme ainsi une telle couche contrainte épaisse, il faut alors prendre garde à ne pas dépasser une certaine température limite (qui se situe autour de la température de dépôt) dans les traitements qui suivent, et en particulier les traitements se situant entre le dépôt de la couche et le détachement de celle-ci réalisé par Smart-Cut®, afin d'éviter un relâchement des contraintes.
Ainsi, dans ce cas de couche contrainte épaisse, sera avantageusement mise en œuvre une activation plasma avant collage (comme discuté plus haut) qui se fait typiquement à une température ambiante inférieure à environ 1000C. D'autre part, au moins une couche de collage en matériau diélectrique, tel que du SiO2, est avantageusement formée sur l'une ou les deux surfaces à coller, cette couche en matériau diélectrique aidant par la suite (i.e. après détachement) à conserver les contraintes élastiques. En complément de l'activation plasma, un traitement thermique post-détachement à une température T (tel que discuté plus haut) peut être mis en œuvre, T étant avantageusement inférieure à la température de dépôt de la couche contrainte épaisse dans le cas où aucune couche de collage n'a été prévue.
Bien entendu, l'homme du métier pourra sans difficulté mettre en œuvre l'invention dans le cas où des espèces minoritaires sont ajoutées aux couches Sii-xGex et Sii-yGey, en ajoutant par exemple des espèces dopantes et/ou du carbone en petite quantité (environ 5% ou moins).

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de formation d'une structure (30) comprenant une couche prélevée (2) à partir d'une plaque donneuse (10), la plaque donneuse (10) comprenant avant prélèvement une première couche (1) en Sii-xGex et une deuxième couche (2) sur la première couche (1 ) en Sii-yGey (x, y étant respectivement compris entre 0 et 1 , et x étant différent de y), le procédé comprenant les étapes suivantes : (a) implantation d'espèces atomiques pour former une zone de fragilisation (4) sous la deuxième couche (2) ;
(b) collage de la plaque donneuse (10) à une plaque réceptrice (20) ;
(c) apport d'énergie pour détacher les couches prélevées (1' et 2) de la plaque donneuse (10) au niveau de la zone de fragilisation (4) ; (d) recuit thermique rapide (encore appelé RTA) mis en œuvre à une température égale ou supérieure à environ 10000C pendant une durée ne dépassant pas 5 minutes ;
(e) gravure sélective de la partie restante de la première couche (1') vis à vis de la deuxième couche (2).
2. Procédé de formation selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étape (d) est mise en œuvre à une température comprise entre environ 10000C et environ 12000C pendant environ 10 secondes à environ 30 secondes.
3. Procédé de formation selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étape (d) est mise en œuvre à une température autour de 11000C pendant environ 10 secondes.
4. Procédé de formation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape (d) est mise en œuvre sous atmosphère réductrice.
5. Procédé de formation selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étape (d) est mise en œuvre sous atmosphère réductrice d'argon et d'hydrogène ou sous atmosphère réductrice d'argon.
6. Procédé de formation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une oxydation sacrificielle d'une partie de la première couche (1') est mise en œuvre entre l'étape (c) et l'étape (d).
7. Procédé de formation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une activation plasma d'au moins une surface de collage est mise en œuvre avant l'étape (b).
8. Procédé de formation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un traitement thermique de plus de 30 minutes environ et apte à renforcer le collage est en outre mis en œuvre après l'étape (b).
9. Procédé de formation d'une structure selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le traitement thermique est réalisé avant l'étape (d) et se fait à une température comprise entre environ 35O0C et environ 8000C pendant 30 minutes à 4 heures environ.
10. Procédé de formation d'une structure selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le traitement thermique se fait à une température comprise entre environ 35O0C et environ 7000C.
11. Procédé de formation d'une structure selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le traitement thermique se fait à une température autour de 6000C.
12. Procédé de formation d'une structure selon l'une des trois revendications précédentes, caractérisé en ce que le traitement thermique est mis en œuvre après l'étape (c) et en continuité de l'étape (c), dans un même four.
13. Procédé de formation d'une structure selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le traitement thermique comprend un simple changement de la température à partir de la température de détachement de l'étape (c) jusqu'à la température choisie pour le traitement thermique.
14. Procédé de formation d'une structure selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étape (c) est mise en œuvre autour de 6000C pendant une durée pouvant aller d'environ 30 minutes à 2 heures.
15. Procédé de formation d'une structure selon la revendication 8, caractérisé en ce que le traitement thermique est réalisé après l'étape (e) à une température comprise entre environ 10000C et environ 11000C pendant environ 2 heures.
16. Procédé de formation d'une structure selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les espèces atomiques implantées lors de l'étape (a) sont constituées d'un seul élément atomique.
17. Procédé de formation d'une structure selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les espèces atomiques implantées lors de l'étape (a) sont de l'hydrogène.
18. Procédé de formation d'une structure selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les dosages de l'hydrogène sont choisis comme étant de l'ordre de 3.1016 atomes/cm2 à 10.1016 atomes/cm2, et en ce que l'énergie d'implantation de l'hydrogène est choisie dans une gamme de 20 à 80 keV.
19. Procédé de formation d'une structure selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dosage de l'hydrogène est choisi comme étant de l'ordre de 6.1016 atomes/cm2, et en ce que l'énergie d'implantation de l'hydrogène est choisie comme étant de l'ordre de 30 keV.
20. Procédé de formation d'une structure selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que les espèces atomiques implantées lors de l'étape (a) comprennent deux éléments atomiques distincts, l'étape (a) étant ainsi une co-implantation.
21. Procédé de formation d'une structure selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la co-implantation de l'étape (a) est une co-implantation d'hélium et d'hydrogène.
22. Procédé de formation d'une structure selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les dosages de l'hélium et de l'hydrogène sont choisis comme étant, respectivement, de l'ordre de 1.1016 atomes/cm2 et de l'ordre de 1.1016 atomes/cm2, et en ce que les énergies d'implantation de l'hélium et de l'hydrogène sont choisies dans une gamme de 20 à 80 keV.
23. Procédé de formation d'une structure selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les énergies d'implantation de l'hélium et de l'hydrogène sont choisies comme étant, respectivement, de l'ordre de 50 keV et de l'ordre de 30 keV.
24. Procédé de formation d'une structure selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, après l'étape (c), le procédé ne comprend pas la mise en œuvre de moyens mécaniques de polissage.
25. Procédé de formation d'une structure selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, après l'étape (e), une croissance cristalline de Sii-yGey sur la deuxième couche (2) pour épaissir cette dernière.
26. Procédé de formation d'une structure selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la deuxième couche (2) est en Sii-yGey contraint élastiquement.
27. Procédé de formation d'une structure selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la plaque donneuse (10) comprend sous la première et la deuxième couches, un substrat support en Si massif et une structure tampon en SiGe.
28. Procédé de formation d'une structure selon l'une des revendications 1 à 25, caractérisé en ce que la plaque donneuse (10) comprend en outre une troisième couche (3) en Sii-xGex sur la deuxième couche (2).
29. Procédé de formation d'une structure selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, après l'étape (e), une gravure sélective de la deuxième couche (2) vis à vis de la troisième couche (3).
30. Procédé de formation d'une structure selon l'une des revendications 1 à 25, caractérisé en ce que la plaque donneuse (10) comprend un substrat support en Si massif, une structure tampon en SiGe, et une structure multicouche comprenant alternativement des premières couches (1A,1 B,1C,1 D,1 E) en Sii-xGex et des deuxièmes couches (2A,2B,2C,2D,2E) en Si-i-yGθy contraint, de sorte à pouvoir réaliser une pluralité de prélèvements à partir de la même plaque donneuse (10).
31. Procédé de formation d'une structure selon l'une des revendications
26 à 30, caractérisé en ce que chaque couche en Sii-yGey contraint a une épaisseur plus grande que l'épaisseur critique d'équilibre.
32. Procédé de formation d'une structure selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, avant l'étape (a), la formation de cette couche contrainte a une température de dépôt comprise entre environ 45O0C et environ 65O0C, et en ce que les traitements mis en œuvre entre ce dépôt et le détachement obtenu à l'étape (c) sont effectués à des températures inférieures ou égale à la température de déposition.
33. Procédé de formation d'une structure selon l'une des revendications 26 à 32, caractérisé en ce que y est égal à 0.
34. Procédé de formation d'une structure selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, avant l'étape (b), une étape de formation d'une couche de collage sur la plaque donneuse (10) et/ou sur la plaque réceptrice (20), la couche de collage comprenant un matériau isolant électriquement, tel que par exemple du SiO2, du Si3N4 ou du SixOyNz.
35. Application du procédé de formation d'une structure selon la revendication précédente, à la formation d'une structure semiconducteur- sur-isolant.
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