EP2195835A1 - Procédé de fabrication d'une structure micro-électronique impliquant un collage moléculaire - Google Patents

Procédé de fabrication d'une structure micro-électronique impliquant un collage moléculaire

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Publication number
EP2195835A1
EP2195835A1 EP08869784A EP08869784A EP2195835A1 EP 2195835 A1 EP2195835 A1 EP 2195835A1 EP 08869784 A EP08869784 A EP 08869784A EP 08869784 A EP08869784 A EP 08869784A EP 2195835 A1 EP2195835 A1 EP 2195835A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
bonding
coating layer
oxide
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08869784A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Marc Rabarot
Christophe Dubarry
Jean-Sébastien Moulet
Aurélie Tauzin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a method for manufacturing a microelectronic structure involving a molecular bonding. It aims in particular, but not exclusively, a manufacturing process involving the formation, along the bonding interface, of a thin layer.
  • a "microelectronic structure” is an element, or a set, made from means or techniques of microelectronics and can be used in particular in the manufacturing processes of microelectronic and / or optical components and / or micro-mechanics; such a structure may comprise a substrate, for example a semiconductor material, optionally combined with one or more other layers or substrates, so as to allow the formation of these components. These processes often involve substrates formed themselves of several layers, which explains this denomination of structure, even in the case of a single substrate.
  • Smart Cut allows the detachment of a thin film vis-à-vis a donor substrate (or substrate or starting structure) and its transfer to another substrate (or layer) called receptor (there may be the intervention of an intermediate receptor substrate between the starting substrate and the final receiving substrate).
  • This drug is particularly covered by US Pat. No. 5,374,564 (Bruel) and / or its improvements (one can refer in particular to the document US Pat. No. 6,020,252 (Aspar et al.)).
  • the thin layer thus separated from the donor substrate has been transferred to an intermediate receptor substrate, there may be subsequent steps involving the intimate contact of the thin-film face released by the separation from the donor substrate, with a final receiving substrate.
  • the substrate can be (on the surface or in its mass) of very varied natures; it is often silicon, but it can also be, in particular, other semiconductor materials, for example those of Group IV of the Mendeleev Table, such as germanium, silicon carbide or alloys silicon-germanium, or materials of the group IM-V or the group M-Vl (GaN, GaAs, InP, etc.).
  • molecular bonding also called “direct bonding” since there is no addition of material and therefore no interposition of any adhesive
  • direct bonding is a particularly interesting method of connection, insofar as it is capable in principle of ensuring very good mechanical strength, good thermal conductivity, good uniformity of thickness of the bonding interface, etc.
  • the donor substrate is a base substrate surmounted by a layer or a stack of layers.
  • a silicon donor substrate is typically covered with a layer of thermal silica obtained by simple heat treatment of this donor substrate.
  • thermal oxide layer which is easily formed on silicon, is that it makes it possible to obtain a molecular bond of very good quality. It is therefore normal that one sought to form, for other materials, such oxide layers suitable for leading to an effective molecular bonding.
  • the material of the donor substrate considered, at least in its portion intended to give the thin layer may not itself be compatible with good molecular bonding with the receiving substrate to which it is to be brought into intimate contact. It may then be necessary to provide for the interposition of at least one so-called bonding layer (with reference to the particular type of connection envisaged). Since such bonding layers can not then be obtained simply by heat treatment of the surface of the donor substrate, a specific deposition treatment is required.
  • the substrates to be bonded depositing, on at least one of the substrates to be bonded, one or more thin layers (typically of thicknesses between a few tenths and a few hundred microns); these thin layers are chosen so, not only to allow a good molecular bonding with a substrate, but also to have good adhesion to the substrate on which they are deposited.
  • some materials may not withstand a temperature above a critical threshold, typically between 200 ° C. and 700 ° C. depending on the materials.
  • a critical threshold typically between 200 ° C. and 700 ° C. depending on the materials.
  • the germanium should not be brought to a temperature higher than 600 0 C because it is then formed an oxide GeO x which is unstable temperature; it is understood that the formation of such an oxide must be avoided. It follows that during a possible deposition of a bonding layer, care must be taken not to reach or exceed the critical threshold of any of the constituent materials of the donor substrate.
  • some materials can not be worn beyond a boundary temperature between the implantation step and the bonding step, as this could cause a phenomenon of blistering or exfoliation resulting from local untimely separations. level of the implanted layer.
  • level of the implanted layer Such a risk appears, for example, from 350 0 C with a GaN donor substrate and from 15O 0 C with a LiTaO 3 donor substrate.
  • the desired roughness is less than or equal to 0.6 nm RMS in atomic force microscopy AFM, on 1x1 ⁇ m 2 zones on silicon (the expression AFM here refers to "Atomic Force Microscope").
  • AFM atomic force microscopy
  • this operation involves increasing the deposited thickness by a value equal to that which will then be removed by polishing to achieve the desired roughness. But there are cases where the increase in the thickness of the deposit is not possible, or is not desirable for economic reasons for example.
  • oxides thus deposited for molecular bonding applications often have a number of disadvantages.
  • the first frequent drawback is related to the significant roughness observed on the surface after such a PECVD or PVD deposit.
  • the value of this roughness increases in general with the thickness of the deposited layer, at least for the very thin layers (that is to say, in the present context, layers whose thicknesses are of the order of a few tens of nanometers).
  • mechano-chemical polishing means or so-called “smoothing" etching it is therefore necessary to resort to mechano-chemical polishing means or so-called “smoothing" etching; but, as indicated above, such polishing consumes a portion of the thickness of the deposited layer.
  • a second frequent disadvantage is related to the low relative density of CVD type oxide deposits, especially in comparison with the thermal oxide of silicon.
  • the density of the deposit often guarantees a good bondability due to a high rate of bonds that can be activated on the surface just before bonding, and especially good thermal stability during subsequent annealing, especially for high temperature applications ( greater than 600 ° C., or even greater than 1000 ° C., for the epitaxial deposition of a layer of GaN, for example).
  • the solution adopted is to anneal the bonding layers after the deposit.
  • a third frequent disadvantage is related to the high level of hydrogen incorporated in the CVD oxide layers, which is inherent in this deposition process.
  • the hydrogen content is higher as the oxide is deposited at low temperature.
  • these types of layers generally transform (densification) by releasing a portion of the hydrogen which can then accumulate at the bonding interface with the underlying substrate and cause significant defectivity.
  • the increase of the pressure of the gases, accumulated around the defects of the interface opposes the adhesion forces and can generate catastrophic detachment forces which cause the separation of the previously glued plates at ambient temperature.
  • the invention proposes taking advantage of a particular type of deposition, in particular of oxide, namely an ion beam sputtering deposit ("Ion Beam Sputtering" in English, or IBS for short), which can be generated at very low temperature (typically less than 100 ° C., or even less than 50 ° C.).
  • ion Beam Sputtering in English, or IBS for short
  • such a layer of deposited oxide spray IBS has particularly advantageous properties for subsequent molecular bonding with a substrate; indeed, such a layer has a very low roughness after deposition, even in the case where the deposited layer has a thickness equal to or even greater than 400 nm, and a good density which gives it good thermal stability (without the need to apply subsequent densification annealing treatment); in addition, such a layer deposition can be preceded, in the same vacuum cycle as that of this deposition, by a step of attacking the receiving face, promoting adhesion, or by the deposition of other layers, by example one or more metal layers (Cr, Pt, Al, Ru, Ir, in particular).
  • IBS ion beam sputtering
  • This particular technique differs from known PVD techniques for making layers (see above) in that it is carried out at low temperature (for example at room temperature) while ensuring good adhesion of the deposited layer.
  • evaporation techniques can also be performed cold, but do not allow to obtain such adhesion.
  • the oxides thus deposited without ion beam heating have, at the deposition stage, morphological and thermochemical characteristics which are closer to those of a thermal silicon oxide than those of a conventional CVD deposit:
  • IBS-type deposits a high ability to molecularly bond substrates or microelectronic structures.
  • oxides of the IBS type are deposited at very low speed (typically of the order of one angstrom per second), close to that of the thermal oxidation of silicon, which allows a good control of the deposited thickness (within one nanometer).
  • the respective roughness values of a deposit of 400 nm of silicon oxide produced on silicon by IBS and in the form of a thermal oxide are, respectively, of:
  • SiS 2 , TiO 2 , Ta 2 Os, etc. by IBS, in the field of optics or optronics, because of their optical characteristics ( thickness, refractive index, in particular), related to the fact that this technology allows both a good control of the stoichiometry and thickness of deposited layers (thanks to the moderate rate of deposition).
  • SiO2 one can notably refer to the article "Effect of the working gas of the ion-assisted source on the optical and mechanical properties of SiO2 films deposited by dual ion beam sputtering with Si and SiO2 as the starting materials by Jean-Yee Wu and Cheng-Chung Lee, in Applied Optics, Vol 45n No. 15, May 20, 2006, pp. 35103515.
  • these layers have both a low surface roughness even for high thicknesses (a few hundred nanometers, or a few tenths of a micron), a high density (or compactness) and a large thermal stability (a low level of hydrogen bonds incorporated in the layers compared with conventional bonding layers, for example of the CVD type, which makes it possible to reduce hydrogen degassing during annealing, which results in good stability).
  • the IBS deposits have, for an identical or even lower deposition temperature, fewer silanol (Si-OH) type bonds than the CVD type oxides conventionally used as a molecular bonding layer.
  • the IBS layers can be deposited at a low temperature (close to ambient temperature), their use makes it possible to produce molecular bonding layers on structures that prevent significant heating (for example in the case of a structure having an interface previously implanted and can induce a separation (case of the "Smart Cut ®" process).
  • the IBS technology makes it possible to deposit not only oxides, but also nitrides, metallic species, oxynitrides (in particular SiO x Ny), etc.
  • the invention thus proposes a method of manufacturing a microelectronic structure, comprising:
  • IBS ion beam sputtering
  • the above definition includes the case where, as will be indicated below, at least one underlying layer is interposed between the first structure and the coating layer: the coating layer is not formed directly on the surface of the first structure (formed of the first material); however, since it is formed in close proximity to it, it is well located on the surface of this structure, albeit indirectly through one or more underlying layer (s).
  • the implementation of the ion beam spraying is done at low temperature and leads to the formation of a bonding layer whose properties allow the subsequent realization of a molecular bonding very good quality.
  • the implementation of the method of the invention leads to the formation of a structure comprising, on a starting substrate, at least one thin layer of IBS type allowing a molecular bonding of the donor substrate (or structure) with a substrate (or structure) receiver.
  • the formation of the coating layer is carried out after pickling of the surface of the first structure inside the chamber where the spray deposition is carried out.
  • another coating layer is formed on the second structure before molecular bonding.
  • This other coating layer is preferably also carried out by ion beam sputtering.
  • This other layer of coating can be made in the same second material as the first coating layer, which guarantees a good molecular bonding.
  • the implementation of the invention is advantageously combined with the formation of a thin layer, that is to say that ions are implanted in at least one of the first and second structures in order to form a buried layer of micro-cavities and, after molecular bonding, the fracture of this structure is caused at this buried layer of micro-cavities.
  • the implantation step can be performed, either before the formation of the IBS layer, or after this formation, without risk of causing bubbling and separation of the implanted film during the deposition step.
  • This second material is preferably an oxide, preferably a silicon oxide. More generally, the bonding layer is advantageously composed of an oxide layer selected from SiO 2 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , HfO 2 , etc.
  • this second material is a nitride, for example selected from the group consisting of Si 3 N 4 , TiN, WN, CrN.
  • the second material is an oxynitride, for example silicon.
  • the relative proportions of oxygen and nitrogen of the oxynitride can be fixed, or on the contrary vary in the thickness of the layer (to do this, it is sufficient to vary the parameters of the ion beam sputtering) .
  • the second material is a metal element or a metal alloy, for example selected from the group consisting of Cr, Pr, Al, Ru, Ir.
  • more than one layer is deposited on the donor substrate, ie there is, under the coating layer, at least one underlying layer, advantageously deposited by sputtering. ion beam.
  • the underlying layer is made of a metallic material or a metal alloy and where the coating layer is oxide, which amounts to forming a buried electrode.
  • the bonding layer is advantageously amorphous.
  • the material on which the IBS layer is formed is preferably a group IV material of the periodic table of the elements, for example a semiconductor material such as silicon. It can also be a material included among the following materials: germanium, gallium nitride, gallium arsenide, lithium tantalate and lithium niobate.
  • the thickness of the IBS oxide bonding layer is preferably between a few nanometers and a few hundred nanometers; the thickness of the layer is in fact advantageously less than 1 micron, preferably at most equal to 600 nanometers.
  • the structure thus obtained has in practice a roughness of less than about 0.25 nm RMS.
  • the surface of the IBS layer for example, in a conventional manner, by means of a chemical mechanical polishing or a UV-ozone treatment, or via a reactive plasma.
  • the invention thus proposes a method of manufacturing a microelectronic structure (the term "micro-technological” is sometimes also used) by molecular bonding of a first structure and a second structure, in which at least one of the two structures is formed with a bonding layer having a thickness of less than one micron, preferably less than 600 nm, by sputtering. ion.
  • this bonding layer is an oxide, a nitride or an oxynitride of a different element from that of which the underlying structure is constituted; this underlying structure is advantageously constituted by a material different from silicon, having no stable thermal oxide, such as, in particular, germanium, gallium nitride, gallium arsenide, lithium tantalate and lithium niobate, while the bonding layer preferably comprises silicon oxide.
  • This bonding layer may be separated from this underlying structure by a metal layer, advantageously deposited, also, by ion beam sputtering.
  • This bonding layer is advantageously an electrical insulator and the molecular bonding is advantageously followed by a fracture step, at a temperature at most equal to 400 ° C., preferably at most equal to 200 ° C., at a layer micro-cavities resulting from a previous step ion implantation in the other structures so as to form a semiconductor-on-insulator structure.
  • ion beam sputtering is mentioned, fortuitously, in document US 2007/0017438, for the formation of a tangential stressing layer of underlying islands, about a Si-W alloy, but that, to ensure such stressing, this layer is very thick (between several microns and several millimeters), so as to avoid any phenomenon of waviness; this is fundamentally different from the formation of a thin coating (less than one micron) intended to serve as a bonding or bonding layer to allow good molecular bonding between two structures which otherwise could not be effectively bonded molecular way.
  • the IBS layer is a bonding layer which, as a result, is normally intended to be buried
  • the bonding layer proposed by the aforementioned document is only intended to be released as a surface layer, then etched and heated to alter the stress level of the underlying islands.
  • FIG. 1 is a sectional view of a donor substrate being implanted to form a weakened layer
  • FIG. 2 is a sectional view of this substrate after deposition of a layer by ion beam sputtering
  • FIG. 3 is a view after molecular bonding
  • FIG. 4 is a view after separation at the level of the weakened layer
  • FIG. 5 is a view of the rest of the donor substrate, ready for a new cycle
  • FIG. 6 is a block diagram of an ion beam spray deposition installation.
  • Figures 1 to 5 show an example of a method embodying the invention.
  • This process comprises the following steps:
  • a substrate 1 constituting a first structure having, at least on the surface (or in the immediate vicinity thereof if a thin layer is deposited therein), a first material
  • This method thus comprises, in a case of layer transfer (reference 2) from a donor substrate (or first structure) 1 to a receiving substrate (or second structure) 4, a step consisting of an oxide deposition 3, controlled thickness from a few nanometers to a few tenths of a micron, by IBS.
  • This deposit is made “cold”, that is to say at a temperature below 100 0 C, typically to 40 0 C (this temperature corresponds to the surface temperature of the substrate due to the deposit), or even at the temperature room.
  • This deposit can therefore be made on any substrate, processed or not, without risk of degradation of the result of the previous steps or properties of the surface of the donor substrate.
  • This layer 3 sprayed IBS has, in the example of Figures 1 to 5, the main function of being a bonding layer. However, it may have, in addition, other functions such as, in particular:
  • Sacrificial layer for example for producing microsystems such as acceleration or pressure sensors, etc.
  • Mirror layer or optical filter possibility of introducing an optical function by a stack of layers of different types and / or thicknesses
  • Buried electrode for example a metal layer between a substrate and an oxide layer
  • Barrier layer for example nitride such as TiN, WN, etc.
  • the constituent material of the layer deposited by IBS sputtering is thus an oxide (during the production of a bonding layer), but may therefore alternatively be a nitride, an oxynitride, a metal element or alloy, etc. It should be noted that it is not necessary to carry out densification treatment of IBS oxides since they are already very dense, from the time of deposition, with a density compatible with a very good quality bonding.
  • the deposition of the IBS layer takes place before implantation.
  • a cleaning is performed in the deposition chamber IBS, before deposition, so as to prepare the surface of the donor substrate, and thus improve the adhesion of the deposited layer on the surface of this substrate.
  • Such cleaning may indeed consist of a bombardment of the surface with neutral ions, such as argon or xenon (this preparation can be described as pickling).
  • RIBS technology or “Reactive IBS”
  • Reactive IBS Reactive IBS
  • DIBS Direct IBS
  • assistance beam which makes it possible to increase the compactness of the layers but also to control the stoichiometry of the layer during the deposition. possibly playing on an additional gas supply (for example oxygen, in the case of an oxide deposit).
  • FIG. 6 is a block diagram of an installation adapted to the implementation of this DIBS technology, in the case, for example, of the formation of a silicon oxide coating on a set of substrates.
  • an ion source (sputtering source) 11 which generates a beam 12 of mono-energetic ions (typically between 500 and 1500 eV) positive, defined spatially.
  • the beam here formed of argon ions, bombards a target 13 made of the material to be deposited (in this case, SiO2). Sprayed species are emitted in the half-space facing the target and come to condense on the substrates 14 (here carried by a planetary support 14A) to form the coating layer 3 of FIG. 2 (not shown in this FIG. 6),
  • an assistance source 15 emitting ions of lower energy (typically from 50 to 100 eV), according to a beam 16 which aims to increase the compactness of the layers deposited on the substrates, but also to control the stoichiometry of these thin layers being deposited (in this case, it is possible to substitute all or part of the ionized neutral gas stream of the source 15 with oxygen or another gas reactive with the layer being formed); this source of assistance can also be used as a source of stripping flux of the substrates before starting the actual deposit.
  • this source of assistance can also be used as a source of stripping flux of the substrates before starting the actual deposit.
  • the pumping of the deposition chamber is advantageously of "dry" type, to avoid any particulate and organic contamination: the limit vacuum is typically 2.10 8 Torr.
  • Layers of typical thickness of 0.1 to 1 micron can be made with or without a source of assistance.
  • this assistance source is advantageously used only for stripping the surface of the substrates, for 5 minutes, for example.
  • the neutral gas may be argon or xenon.
  • deposition gun xenon: voltage of 1000V, intensity of 100mA, and flow rate of 2.1 sccm (that is to say 2.1 cm 3 standard per minute ("standard cubic centimeters per minute"),
  • the IBS technology corresponds to very low deposition rates (typically of the order of one angstrom per second, compared with deposition rates of the order of 100 to 1000 angstroms per second in the case of PECVD or LPCVD technologies), which contributes to their high density.
  • One way to evaluate the density of a thin coating is to measure the rate of chemical etching (the density of a coating is inversely proportional to this speed).
  • PECVD LF deposit around 300 ° C.: speed of 1600 angstroms / min
  • HTO DCS HTO DCS
  • deposit around 900 ° C. speed of 1550 angstroms / min.
  • HTO DCS means "High Temperature Oxide DiChloroSiloxane”
  • the etching rate of the coating obtained by sputtering IBS is only slightly greater than that of the thermal oxide, so that its density is only slightly less than that of this thermal oxide. It is observed, on the other hand, that the etching rate of this IBS coating is substantially lower than that of coatings obtained by CVD type techniques, and that its density is therefore substantially higher.
  • the oxides deposited by IBS thus allow a quality of bonding comparable to that of a thermal oxide, even when it is not a question of the oxide of the material constituting the carrier substrate, with the advantage of being realized at very high temperatures. low temperature, so to be compatible with any type of substrate, especially processed.
  • the implantation takes place in the first structure; alternatively, this implantation takes place in the second structure (there may even be an implantation in the two structures).
  • the coating layer is formed on the surface of this first structure, and in a direct manner (therefore directly on the part of this substrate having the first material on the surface); alternatively, this coating layer is made on the second structure; this coating layer may also be deposited indirectly on the surface of this first or second structure, on an underlayer (or underlying layer), formed on the surface of this structure (possibly also by sputtering). ion). There may also be a coating layer on each of the two structures.
  • a crystalline GaN substrate ( 70 Ga 14 N) is implanted with H ions under the following conditions:
  • a SiO 2 layer with a thickness of between 500 nm and 1 micron is then deposited by IBS sputtering onto the implanted substrate.
  • the GaN substrate Prior to the actual deposition step, the GaN substrate is cleaned, in situ (in the IBS deposition chamber), by a stripping step for 5 minutes.
  • the GaN substrate carrying the oxide layer is then adhesively bonded to a sapphire substrate.
  • a plasma treatment is carried out on the surface of the oxide layer, for example an O 2 plasma.
  • the fracture at the level of the implanted layer is then caused by a heat treatment in the range from 200 ° C. to 400 ° C.
  • the oxide layer obtained by IBS is, by its density, quite suitable for a subsequent step of epitaxy at high temperature (typically between 1000 0 C and 1100 0 C) to form the active layers of the diodes LED.
  • LiTaO 3 substrate is implanted, through the oxide layer, with H ions under the following conditions:
  • the LiTaO 3 substrate, with the oxide layer, is then adhesively bonded to a LiTaO 3 substrate, covered with a chromium bonding layer.
  • the bonding is for example carried out by a chemical cleaning, by a bath called "Caro" (H2SO4 / H2O2).
  • a LiTa ⁇ 3 / SiO 2 / Cr / LiTaO 3 structure is thus obtained which can, for example, be used for the production of ferroelectric memories.
  • the substrate is then implanted, through the oxide layer, with H ions under the following conditions:
  • the substrate, with the oxide layer is then adhesively bonded to a silicon substrate coated with a thermal oxide layer.
  • a chemical-mechanical polishing of the oxide layer followed by brushing and rinsing the plates.
  • the fracture is then caused at the level of the implanted layer, by a heat treatment of 330 0 C - 1 h.
  • GeOI Germanium on insulator or "Ge On Insulator”
  • This substrate is bonded, by molecular adhesion, to another LiTaO 3 substrate, on which IBS sputtering has previously been deposited. 400 nm Si ⁇ 2 layer, using chemical mechanical polishing and brushing.
  • the fracture is provoked at a temperature below 200 ° C., for example by application of mechanical stresses.
  • a LiTa ⁇ 3 / electrode / insulator / LiTaO 3 structure is thus obtained.
  • He-ions are implanted in this substrate under the following conditions:
  • SiO 2 layer 600 nm thick is then deposited by IBS sputtering.
  • This substrate coated with SiO 2 is adhesively bonded to a second silicon substrate, covered with a 600 nm layer of SiO 2 also by IBS sputtering.
  • the fracture is caused at the level of the implanted layer and obtains a Si / Si ⁇ 2 / LiNb ⁇ 3 structure , which therefore comprises a buried insulating layer.

Landscapes

  • Recrystallisation Techniques (AREA)
  • Formation Of Insulating Films (AREA)

Abstract

Procédé de fabrication d'une structure micro-électronique comportant : la préparation d'une première structure (1 ) présentant en surface un premier matériau différent du silicium, la formation à la surface de cette première structure, par pulvérisation par faisceau d'ions (IBS), d'au moins une couche de revêtement (3) d'épaisseur inférieure à un micron en un second matériau, cette couche ayant une surface libre, le collage moléculaire de cette surface libre à une face d'une seconde structure (4), la couche de revêtement constituant, pour les première et seconde structures, une couche de collage.

Description

Procédé de fabrication d'une structure micro-électronique impliquant un collage moléculaire
L'invention concerne un procédé de fabrication d'une structure microélectronique impliquant un collage moléculaire. Elle vise en particulier, mais non exclusivement, un procédé de fabrication faisant intervenir la formation, le long de l'interface de collage, d'une couche mince.
Ainsi qu'on le sait, une « structure micro-électronique » est un élément, ou un ensemble, réalisé à partir de moyens ou techniques de la microélectronique et pouvant intervenir notamment dans les procédés de fabrication de composants micro-électroniques et/ou optiques et/ou micro-mécaniques ; une telle structure peut comporter un substrat, par exemple en un matériau semi-conducteur, éventuellement combiné avec une ou plusieurs autres couches ou substrats, en sorte de permettre la formation de ces composants. Ces procédés font souvent intervenir des substrats formés eux-mêmes de plusieurs couches, ce qui explique cette dénomination de structure, même dans le cas d'un substrat unique.
Dans ce domaine de la micro-électronique, il est courant de former des couches minces dont l'épaisseur est typiquement de l'ordre de quelques dixièmes de microns à quelques microns.
C'est ainsi que le procédé connu sous la désignation de « Smart Cut »® permet le détachement d'un film mince vis-à-vis d'un substrat donneur (ou substrat ou structure de départ) et son transfert sur un autre substrat (ou couche) appelé récepteur (il peut y avoir l'intervention d'un substrat récepteur intermédiaire entre le substrat de départ et le substrat récepteur final). Ce Drocédé est notamment couvert par le brevet US - US-5 374 564 (Bruel) et/ou ses perfectionnements (on peut se référer notamment au document US - 6 020 252 (Aspar et al.)).
A cet effet, on procède par exemple aux étapes suivantes :
1. bombardement d'une face du substrat donneur avec des ions ou atomes d'une ou plusieurs espèce(s) gazeuse(s) (typiquement de l'hydrogène et/ou un gaz rare, de l'hélium par exemple), afin d'implanter ces ions en une concentration suffisante pour créer une couche dense de micro-cavités formant une couche fragilisée,
2. mise en contact intime de cette face du substrat donneur avec un substrat récepteur, intermédiaire ou final,
3. séparation au niveau de la couche fragilisée de micro-cavités, par l'application d'un traitement thermique et/ou d'une contrainte de détachement entre les deux substrats (par exemple par l'insertion d'une lame entre les deux substrats au niveau de la couche de micro-cavités, et/ou par l'application d'une contrainte de traction et/ou de cisaillement et/ou de flexion, et/ou l'application d'ondes telles que des ultrasons ou de micro-ondes de puissance et de fréquences judicieusement choisies),
4. recyclage du substrat donneur pour de nouveaux cycles comportant les étapes 1 à 3.
Si la couche mince ainsi séparée du substrat donneur a été transférée sur un substrat récepteur intermédiaire, il peut y avoir des étapes ultérieures comportant la mise en contact intime de la face de la couche mince libérée par la séparation d'avec le substrat donneur, avec un substrat récepteur final.
Le substrat (ou structure) peut être (en surface ou dans sa masse) de natures très variées ; il s'agit souvent de silicium, mais il peut aussi s'agir, notamment, d'autres matériaux semi-conducteurs, par exemple ceux du groupe IV de la Table de Mendeleiev, tels que le germanium, le carbure de silicium ou les alliages silicium-germanium, ou encore des matériaux du groupe IM-V ou du groupe M-Vl (GaN, GaAs, InP, etc .).
Il existe plusieurs procédés pour assurer une liaison efficace entre le substrat donneur et le substrat récepteur, mais le collage moléculaire (aussi appelé « collage direct » puisqu'il n'y a pas d'apport de matière et donc pas d'interposition d'un quelconque adhésif) est un procédé de liaison particulièrement intéressant, dans la mesure où il est capable en principe d'assurer une très bonne tenue mécanique, une bonne conductivité thermique, une bonne uniformité d'épaisseur de l'interface de collage, etc.
De manière assez classique, le substrat donneur est un substrat de base surmonté par une couche, ou un empilement de couches. C'est ainsi qu'un substrat donneur en silicium est typiquement recouvert d'une couche de silice thermique obtenue par simple traitement thermique de ce substrat donneur.
Un intérêt d'une telle couche d'oxyde thermique, qui se forme facilement sur du silicium, est qu'elle permet l'obtention d'un collage moléculaire de très bonne qualité. Il est donc normal qu'on ait cherché à former, pour d'autres matériaux, de telles couches d'oxyde propres à conduire à un collage moléculaire efficace.
Or certains matériaux, tels que Ge, GaN, LiTaO3, LiNbO3, etc., qui peuvent aussi être utilisés dans les applications visées, conduisent à des oxydes thermiques qui ne sont pas stables, notamment du point thermique, de sorte qu'il est généralement considéré qu'il est préférable d'éviter leur formation. Toutefois, le matériau du substrat donneur considéré, au moins dans sa partie destinée à donner la couche mince, peut ne pas être lui-même compatible avec un bon collage moléculaire avec le substrat récepteur auquel on veut le mettre en contact intime. Il peut être alors nécessaire de prévoir l'interposition d'au moins une couche dite couche de collage (en référence au type particulier de liaison envisagé). Puisque de telles couches de collage ne peuvent être alors obtenues par simple traitement thermique de la surface du substrat donneur, il faut donc un traitement spécifique de dépôt.
C'est ainsi que, pour les matériaux ne présentant pas d'oxyde stable, on a en général recours au dépôt, sur l'un au moins des substrats à relier, d'une ou plusieurs couches minces (d'épaisseurs typiquement comprises entre quelques dixièmes et quelques centaines de microns) ; ces couches minces sont choisies en sorte, non seulement de permettre un bon collage moléculaire avec un substrat, mais aussi de présenter une bonne adhérence au substrat sur lequel elles sont déposées.
Or, certains matériaux (ou empilements de matériaux), processés (c'est-à-dire ayant subi des étapes de fabrication de composants, par exemple micro-électroniques) ou non, peuvent ne pas supporter une température supérieure à un seuil critique, typiquement comprise entre 200°C et 7000C selon les matériaux. C'est ainsi que, par exemple, le germanium ne doit pas être porté à une température supérieure à 6000C car il se forme alors un oxyde GeOx qui est instable en température ; on comprend qu'il faut éviter la formation d'un tel oxyde. Il en découle que, lors d'un éventuel dépôt d'une couche de collage, il faut veiller à ne pas atteindre ou dépasser le seuil critique de l'un quelconque des matériaux constitutifs du substrat donneur.
En outre, certains matériaux ne peuvent pas être portés au-delà d'une température limite entre l'étape d'implantation et l'étape de collage, car cela pourrait provoquer un phénomène de cloquage ou d'exfoliation résultant de séparations locales intempestives au niveau de la couche implantée. Un tel risque apparaît, par exemple, à partir de 3500C avec un substrat donneur de GaN et à partir de 15O0C avec un substrat donneur de LiTaθ3.
Il faut noter ici que, pour obtenir à l'échelle des substrats un bon transfert de films (éventuellement porteurs de circuits) par la technique précitée de report de couche, il est nécessaire que le collage moléculaire concerne la totalité des surfaces en regard des substrats donneur et récepteur ; on parle couramment de collage moléculaire « pleine plaque » (ou « Wafer Bonding » en anglais). On sait obtenir, notamment avec des substrats en silicium, de fortes énergies de collage, typiquement de l'ordre de 1 J/m2.
En pratique, la bonne connaissance des phénomènes du collage moléculaire d'une couche d'oxyde thermique de silicium à la surface d'un substrat de silicium, et le haut niveau de ses qualités de liaison, font que ce type de couche sert parfois de référence pour évaluer les performances de collage d'une autre couche servant de couche de collage. Les critères qui garantissent globalement une bonne aptitude au collage moléculaire (généralement hydrophile) d'une couche de collage sont, en complément de son adhérence sur le substrat sous-jacent :
- une très faible rugosité de surface, homogène sur toute la plaque,
- un taux élevé de liaisons hydrogène généré en surface, qui dépend de la nature du matériau de la couche de collage et du type d'activation éventuellement appliqué à cette couche pour en renforcer les performances au collage,
- un faible taux de particules déposées ou adsorbées en surface, qui sont autant de sites limitant le contact intime entre les surfaces en regard au moment du collage.
Lorsque l'on recherche à effectuer un bon collage, on cherche donc à satisfaire au moins certains des paramètres précités.
Lorsque la rugosité de la couche de collage est trop élevée après son dépôt, il est possible de la réduire pour la rendre compatible avec une forte énergie de collage, par exemple et classiquement au moyen d'un polissage mécano-chimique ; de manière typique.la rugosité recherchée est inférieure ou égale à 0.6 nm RMS en microscopie à force atomique AFM, sur des zones 1x1 μm2 sur du silicium (l'expression AFM désigne ici « Atomic Force Microscope »). Toutefois, cette opération suppose de majorer l'épaisseur déposée d'une valeur égale à celle qui sera ensuite retirée par le polissage pour atteindre la rugosité recherchée. Mais il y a des cas où l'augmentation de l'épaisseur du dépôt n'est pas possible, ou n'est pas souhaitable pour des raisons économiques par exemple. Il existe donc un besoin de pouvoir déposer une couche de collage (un oxyde notamment) ayant dès le dépôt une rugosité faible, voire directement compatible avec une forte énergie de collage, comparable avec celle que l'on obtient avec la référence indiquée ci-dessus, à savoir l'oxyde thermique de silicium.
Les solutions actuellement bien connues de l'homme de l'art pour la formation d'une couche de collage en oxyde consistent à déposer un oxyde par un dépôt chimique en phase vapeur, par exemple assisté par plasma (PECVD ou « Plasma Enhanced Chemical Vapor Déposition »), ou par un dépôt physique en phase vapeur (PVD ou « Physical Vapor Déposition »). Pour augmenter la densité et l'adhérence de ces dépôts, ceux-ci sont en général réalisés dans une gamme de température de 2000C à 8000C ; or on a vu que certains matériaux peuvent ne pas supporter des traitements à ces températures.
En outre, les oxydes ainsi déposés en vue d'applications de collage moléculaire présentent souvent un certain nombre d'inconvénients.
Le premier inconvénient fréquent est lié à la rugosité importante constatée en surface après un tel dépôt PECVD ou PVD. La valeur de cette rugosité augmente en général avec l'épaisseur de la couche déposée, du moins pour les couches très minces (c'est-à-dire, dans le présent contexte, des couches dont les épaisseurs sont de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres). Pour pallier à ce problème on a donc besoin de recourir à des moyens de polissage mécano-chimiques ou de gravure dite « lissante » ; mais, comme indiqué ci-dessus, un tel polissage consomme une partie de l'épaisseur de la couche déposée.
Un deuxième inconvénient fréquent est lié à la faible densité relative des dépôts d'oxyde de type CVD, notamment en comparaison avec l'oxyde thermique de silicium. Or la densité du dépôt garantit souvent une bonne aptitude au collage grâce à un taux élevé de liaisons qui peuvent être activées sur la surface juste avant le collage, et surtout une bonne stabilité thermique lors des recuits ultérieurs, notamment pour des applications à hautes températures (supérieures à 6000C, voire supérieures à 10000C, pour le dépôt par épitaxie d'une couche de GaN par exemple). En général la solution adoptée est de recuire les couches de collage après le dépôt. Mais cette opération n'est pas toujours possible, soit pour des raisons de compatibilité de température du procédé (comme dans le cas du procédé « Smart Cut ® » vu précédemment, où il faut éviter une séparation intempestive), soit quand les coefficients d'expansion thermique (CTE en abrégé) des différents matériaux en présence sont trop éloignés (avec par exemple un écart de plus de 20% en valeur absolue). Dans ce cas, le recuit génère une mise en tension ou en compression, par exemple, de la couche de collage qui peut, in fine, augmenter la rugosité et surtout fragiliser l'adhérence et donc minimiser l'aptitude au collage moléculaire. Enfin des dépôts d'oxyde peu denses sont en général instables et peuvent se transformer par changement d'état (cristallisation partielle, fluage, etc.) lors des traitements thermiques ultérieurs. Dans un procédé de report de film, cette dégradation de l'oxyde entraîne une forte défectivité du film transféré et fragilise l'interface de collage pour des applications d'épitaxie par exemple.
Un troisième inconvénient fréquent est relié au taux élevé d'hydrogène incorporé dans les couches d'oxyde CVD, qui est inhérent à ce procédé de dépôt. En général, le taux d'hydrogène est d'autant plus élevé que l'oxyde est déposé à faible température. Lors de recuits postérieurs au dépôt, ces types de couches se transforment généralement (densification) en libérant une partie de l'hydrogène qui peut alors s'accumuler à l'interface de collage avec le substrat sous-jacent et provoquer une défectivité importante. Dans certains cas, l'augmentation de la pression des gaz, accumulés autour des défauts de l'interface, s'oppose aux forces d'adhésion et peut engendrer des forces de décollement catastrophiques qui provoquent la désolidarisation des plaques préalablement collées à température ambiante.
Il résulte de ce qui précède que, pour certaines applications, on ne sait pas déposer sur un substrat, à une température au plus égale à 200 0C, une couche d'oxyde de bonne qualité, en garantissant à la fois une forte adhérence sur le substrat, une faible rugosité après dépôt, une bonne stabilité thermique durant des étapes ultérieures de recuits à haute températures (typiquement au moins égales à 10000C) et une aptitude satisfaisante au collage direct. Il est donc parfois impossible de déposer des oxydes sur certains types de substrats, formés d'une ou plusieurs couches, processés ou non.
En fait, ce besoin existe non seulement dans le cas où l'on souhaite réaliser des couches d'oxyde, mais aussi plus généralement dans le cas où l'on souhaite déposer sur un substrat une couche, d'oxyde ou non, ayant les propriétés précitées. L'invention propose à cet effet de tirer profit d'un type particulier de dépôt, notamment d'oxyde, à savoir un dépôt par pulvérisation par faisceau d'ions (« Ion Beam Sputtering » en anglais, ou IBS en abrégé), pouvant être généré à très basse température (typiquement inférieure à 1000C, voire inférieure à 5O0C). En effet, les inventeurs ont pu constater qu'une telle couche d'oxyde déposée par pulvérisation IBS présente des propriétés particulièrement intéressantes en vue d'un collage moléculaire ultérieur avec un substrat ; en effet, une telle couche présente une très faible rugosité après dépôt, même dans le cas où la couche déposée a une épaisseur égale voire supérieure à 400nm, et une bonne densité qui lui confère une bonne stabilité thermique (sans qu'il soit nécessaire d'appliquer un traitement ultérieur de recuit de densification) ; en outre, un tel dépôt de couche peut être précédé, dans le même cycle de vide que celui de ce dépôt, par une étape d'attaque de la face réceptrice, favorisant l'adhérence, ou par le dépôt d'autres couches, par exemple une ou plusieurs couches métalliques (Cr, Pt, Al, Ru, Ir, notamment).
Il est rappelé que la pulvérisation par faisceau d'ions (IBS) est une technique de PVD dans laquelle les ions sont produits par une source et accélérés vers le matériau à pulvériser.
Cette technique particulière se distingue des techniques PVD connues pour la réalisation de couches (voir ci-dessus) par le fait qu'elle est réalisée à basse température (par exemple à la température ambiante) tout en assurant une bonne adhérence de la couche déposée. En fait, des techniques d'évaporation peuvent également être réalisées à froid, mais ne permettent pas d'obtenir une telle adhérence.
Les oxydes ainsi déposés sans échauffement par faisceaux d'ions possèdent dès l'étape de dépôt des caractéristiques morphologiques et thermochimiques plus proches de celles d'un oxyde thermique de silicium que celles d'un dépôt CVD classique :
- une faible rugosité (inférieure ou égale à celle d'un oxyde thermique),
- une densité élevée (supérieure ou égale à celle des oxydes obtenus pas pulvérisation CVD), - un faible taux intrinsèque de liaisons silanol (à savoir Si-OH), intermédiaire entre celui des oxydes CVD et celui de l'oxyde thermique,
- une adhérence renforcée, grâce à une éventuelle séquence de décapage in situ, réalisée au moyen d'un faisceau d'assistance ionique qui vient frapper préalablement l'interface de dépôt.
Ces propriétés confèrent aux dépôts de type IBS une grande aptitude au collage moléculaire de substrats ou de structures microélectroniques.
De plus, les oxydes de type IBS (tels que SiO2, TiO2, Ta2O5, etc.) sont déposés à très faible vitesse (typiquement de l'ordre d'un angstrôm par seconde), proches de celle de l'oxydation thermique du silicium, ce qui autorise un bon contrôle de l'épaisseur déposée (à moins d'un nanomètre près).
A titre d'exemple, les valeurs de rugosités respectives d'un dépôt de 400 nm d'oxyde de silicium réalisé, sur du silicium, par IBS et sous la forme d'un oxyde thermique sont, respectivement, de :
* 0,22 nm et 0,25 nm en rugosité RMS, et
* 2,02 nm et 2,60 nm en rugosité PV.
Ces valeurs de rugosité ont été mesurées sur des couches d'épaisseur égale à 400 nm, sur un champ de balayage par microscopie à force atomique AFM de 1x1 μm2 (ces types de rugosité sont bien connus de l'homme de métier ; il est rappelé que RMS correspond à « Root Mean Square » et que PV correspond à « Pick to Valley »).
En fait, il a déjà été proposé de réaliser par IBS des couches en SiO2, en TiO2, en Ta2Os, etc., dans le domaine de l'optique ou de l'optronique, en raison de leurs caractéristiques optiques (épaisseur, indice de réfraction, notamment), liées au fait que cette technologie permet à la fois un bon contrôle de la stoechiométrie et de l'épaisseur des couches déposées (grâce à la vitesse modérée de dépôt). S'agissant du SiO2, on peut notamment se référer à l'article « Effect of the working gas of the ion-assisted source on the optical and mechanical properties of SiO2 films deposited by dual ion beam sputtering with Si and SiO2 as the starting materials » de Jean-Yee Wu et Cheng-Chung Lee, dans Applied Optics, Vol 45n N°15, 20 May 2006, pp 35103515.
Toutefois, l'homme de métier n'avait pas encore reconnu que de tels dépôts présentaient des qualités particulières les rendant tout particulièrement intéressants en tant que couche de collage pour un collage moléculaire, par exemple au cours d'un procédé de report de couche.
En effet, comme indiqué ci-dessus, ces couches présentent, à la fois, une faible rugosité de surface même pour des fortes épaisseurs (quelques centaines de nanomètres, soit quelques dixièmes de micron), une forte densité (ou compacité) et une grande stabilité thermique (un faible taux de liaisons hydrogène incorporées dans les couches par rapport aux couches classiques de collage par exemple de type CVD qui permet de réduire les dégazages d'hydrogène durant les recuits, ce qui entraîne une bonne stabilité).
Ainsi, les dépôts IBS présentent, pour une température de dépôt identique voire inférieure, moins de liaisons de type silanol (Si-OH) que les oxydes de type CVD utilisés classiquement comme couche de collage moléculaire. Par ailleurs, les couches IBS pouvant être déposées à faible température (proche de la température ambiante), leur utilisation permet de réaliser des couches de collage moléculaire sur des structures interdisant un échauffement important (par exemple dans le cas d'une structure présentant une interface préalablement implantée et pouvant induire une séparation (cas du procédé « Smart Cut ® »).
La technologie IBS permet de déposer non seulement des oxydes, mais aussi des nitrures, des espèces métalliques, des oxynitrures (notamment SiOxNy), etc.
L'invention propose ainsi un procédé de fabrication d'une structure micro-électronique, comportant :
- la préparation d'une première structure présentant en surface un premier matériau,
- la formation à la surface de cette première structure, par pulvérisation par faisceau d'ions (IBS), d'au moins une couche de revêtement en un second matériau, cette couche ayant une surface libre,
- le collage moléculaire de cette surface libre à une face d'une seconde structure.
Il faut préciser que la définition qui précède englobe le cas où, comme cela sera indiqué ci-dessous, au moins une couche sous-jacente est interposée entre la première structure et la couche de revêtement : la couche de revêtement n'est alors pas formée directement sur la surface de la première structure (formée du premier matériau) ; toutefois, puisqu'elle est formée à proximité immédiate de celle-ci, elle est bien située à la surface de cette structure, quoiqu'indirectement au travers d'une ou plusieurs couche(s) sous- jacente(s).
Ainsi que cela a été expliqué ci-dessus, la mise en œuvre de la pulvérisation par faisceau d'ions se fait à basse température et conduit à la formation d'une couche de collage dont les propriétés permettent la réalisation ultérieure d'un collage moléculaire de très bonne qualité.
Ainsi, la mise en œuvre du procédé de l'invention conduit à la formation d'une structure comportant, sur un substrat de départ, au moins une couche mince de type IBS permettant un collage moléculaire du substrat (ou structure) donneur avec un substrat (ou structure) récepteur.
De manière préférée, la formation de la couche de revêtement est réalisée après décapage de la surface de la première structure à l'intérieur de l'enceinte où est réalisé le dépôt par pulvérisation.
De manière avantageuse, on forme en outre une autre couche de revêtement sur la seconde structure avant le collage moléculaire. Cette autre couche de revêtement est de préférence réalisée également par pulvérisation par faisceau d'ions. Cette autre couche de revêtement peut être réalisée dans le même second matériau que la première couche de revêtement, ce qui garantit un bon collage moléculaire.
La mise en œuvre de l'invention se combine avantageusement avec la formation d'une couche mince, c'est-à-dire que l'on implante des ions dans l'une au moins des première et seconde structures en vue d'y former une couche enterrée de micro-cavités et, après collage moléculaire, on provoque la fracture de cette structure au niveau de cette couche enterrée de micro-cavités.
Il est intéressant de noter que l'étape d'implantation peut être réalisée, soit avant la formation de la couche IBS, soit après cette formation, sans risque de provoquer un bullage et la séparation du film implanté pendant l'étape de dépôt.
Ce second matériau est de préférence un oxyde, de préférence un oxyde de silicium. Plus généralement, la couche de collage est avantageusement composée d'une couche d'oxyde choisi parmi SiO2, TiO2, Ta2O5, HfO2, etc.
Selon une autre possibilité intéressante, ce second matériau est un nitrure, par exemple choisi dans le groupe constitué par Si3N4, TiN, WN, CrN.
Une autre possibilité intéressante est que le second matériau soit un oxynitrure, par exemple de silicium. Les proportions relatives d'oxygène et d'azote de l'oxynitrure peuvent être fixes, ou au contraire varier dans l'épaisseur de la couche (pour ce faire, il suffit de faire varier des paramètres de la pulvérisation par faisceau d'ions).
Selon encore une autre possibilité intéressante, le second matériau est un élément métallique ou un alliage métallique, par exemple choisi dans le groupe constitué par Cr, Pr, Al, Ru, Ir.
Selon une variante particulièrement intéressante, on dépose plus d'une couche sur le substrat donneur, c'est-à-dire qu'il y a, sous la couche de revêtement, au moins une couche sous-jacente, avantageusement déposée par pulvérisation par faisceau d'ions. Un cas intéressant est celui où cette couche sous-jacente est réalisée en un matériau métallique ou en un alliage métallique et où la couche de revêtement est en oxyde, ce qui revient à former une électrode enterrée.
La couche de collage est avantageusement amorphe.
Le matériau sur lequel la couche IBS est formée est de préférence un matériau du groupe IV du tableau périodique des éléments, par exemple un matériau semi-conducteur tel que le silicium. Il peut également s'agir d'un matériau compris parmi les matériaux suivants : le germanium, le nitrure de gallium, l'arséniure de gallium, le tantalate de lithium et le niobate de lithium.
L'épaisseur de la couche de collage d'oxyde IBS est de préférence comprise entre quelques nanomètres et quelques centaines de nanomètres ; l'épaisseur de la couche est en effet avantageusement inférieure à 1 micron, de préférence au plus égale à 600 nanomètres.
La structure ainsi obtenue a en pratique une rugosité inférieure à de l'ordre de 0,25 nm RMS.
Pour favoriser le collage avec le subtrat ou la structure de réception, il est avantageux de réaliser une activation de la surface de la couche IBS, par exemple, de manière classique en soi, au moyen d'un polissage mécano- chimique ou d'un traitement en UV-ozone, ou via un plasma réactif.
On appréciera que, en d'autres termes, l'invention propose ainsi un procédé de fabrication d'une structure micro-électronique (on utilise aussi, parfois, l'expression « micro-technologique ») par collage moléculaire d'une première structure et d'une seconde structure, dans lequel on forme, à la surface d'au moins l'une des deux structures, une couche de collage d'épaisseur inférieure à un micron, de préférence inférieure à 600 nm, par pulvérisation par faisceau d'ions.
De préférence, cette couche de collage est un oxyde, un nitrure ou un oxynitrure d'un élément différent de celui dont la structure sous-jacente est constituée ; cette structure sous-jacente est avantageusement constituée d'un matériau différent du silicium, n'ayant pas d'oxyde thermique stable, tel que, notamment, le germanium, le nitrure de gallium, l'arséniure de gallium, le tantalate de lithium et le niobate de lithium, tandis que la couche de collage comporte de préférence de l'oxyde de silicium. Cette couche de collage peut être séparée de cette structure sous-jacente par une couche métallique, avantageusement déposée, aussi, par pulvérisation par faisceau d'ions.
Cette couche de collage est avantageusement un isolant électrique et le collage moléculaire est avantageusement suivi d'une étape de fracture, à une température au plus égale à 400°C, de préférence au plus égale à 200°C, au niveau d'une couche de micro-cavités résultant d'une étape préalable d'implantation d'ions dans l'autre des structures en sorte de former une structure de type semiconducteur sur isolant.
On peut noter que l'utilisation de la pulvérisation par faisceau d'ions est mentionnée, de manière fortuite, dans le document US - 2007/0017438, pour la formation d'une couche de mise en contrainte tangentielle d'ilôts sous- jacents, à propos d'un alliage Si-W, mais que, pour assurer une telle mise en contrainte, cette couche est très épaisse (entre plusieurs microns et plusieurs millimètres), de manière à éviter tout phénomène d'ondulation ; cela est foncièrement différent de la formation d'un mince revêtement (inférieur à un micron), destiné à servir de couche de collage ou d'accrochage pour permettre un bon collage moléculaire entre deux structures qui, sinon, ne pourraient pas être collées efficacement de manière moléculaire. En outre, puisque l'enseignement de ce document est de former une couche qui est le siège d'une contrainte tangentielle, ce document était a priori incompatible avec le problème technique à la base de l'invention consistant à obtenir une très bonne qualité de collage moléculaire sur une grande surface de collage ; on comprend en effet que l'existence d'une contrainte tangentielle à une interface tend à fragiliser celle-ci.
Ainsi, alors que, dans le cadre de l'invention, la couche IBS est une couche de collage qui, de ce fait, a normalement vocation à être enterrée, la couche de mise sans contrainte proposée par le document précité est uniquement destinée à être libérée en tant que couche de surface, puis gravée et chauffée afin de modifier le niveau de contrainte des îlots sous-jacents.
Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple illustratif non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe d'un substrat donneur en cours d'implantation en vue de former une couche fragilisée,
- la figure 2 est une vue en coupe de ce substrat après dépôt d'une couche par pulvérisation par faisceau d'ions,
- la figure 3 en est une vue après collage moléculaire, - la figure 4 en est une vue après séparation au niveau de la couche fragilisée,
- la figure 5 est une vue du reste du substrat donneur, prêt pour un nouveau cycle, et
- la figure 6 est un schéma de principe d'une installation de dépôt par pulvérisation par faisceau d'ions.
Les figures 1 à 5 représentent un exemple de procédé mettant en œuvre l'invention.
Ce procédé comporte les étapes suivantes :
- préparation d'un substrat 1 constituant une première structure présentant, au moins en surface (ou à proximité immédiate de celle-ci si une couche fine y est déposée), un premier matériau,
- bombardement d'une face 1 A de ce substrat avec des ions (ou atomes) afin d'implanter ces ions (ou atomes) pour créer une couche enterrée de micro-cavités 1 B définissant avec la surface 1 A la future couche mince 2 — voir la figure 1 ,
- dépôt sur la surface de la première structure d'une couche d'oxyde 3 par pulvérisation par faisceau d'ions, à basse température - voir la figure 2,
- collage d'un substrat récepteur 4 formant une seconde structure, par collage moléculaire - voir la figure 3,
- fracture au niveau de la couche enterrée de microcavités 1 B, en sorte de séparer la couche 2 vis-à-vis du reste l' du substrat donneur, par l'application d'un traitement thermique et/ou d'une contrainte de détachement (par exemple, l'application d'ultrasons ou de micro-ondes de puissance et de fréquence appropriées, ou l'application d'un outil, etc.) - voir la figure 4, et
- recyclage du reste l' du substrat donneur, après éventuel polissage (zone hachurée) - voir la figure 5. II va de soi que les ondulations représentées aux figures 4 et 5 sont tout à fait exagérées, ne visant qu'à permettre de comprendre l'intérêt d'un éventuel polissage.
Ce procédé comporte ainsi, dans un cas de transfert de couche (référence 2) depuis un substrat donneur (ou première structure) 1 vers un substrat récepteur (ou seconde structure) 4, une étape consistant en un dépôt d'oxyde 3, d'épaisseur contrôlée de quelques nanomètres à quelques dixièmes de microns, par IBS.
Ce dépôt est réalisé à « froid », c'est-à-dire à une température inférieure à 100 0C, typiquement vers 40 0C (cette température correspond à la température superficielle du substrat du fait du dépôt), voire à la température ambiante. Ce dépôt peut donc être réalisé sur tout substrat, processé ou non, sans risque de dégradation du résultat des étapes antérieures ou des propriétés de la surface du substrat donneur.
Cette couche 3 déposée par pulvérisation IBS a, dans l'exemple des figures 1 à 5, la fonction principale d'être une couche de collage. Toutefois, elle peut avoir, en plus, d'autres fonctions telles que, notamment :
• couche électriquement ou thermiquement isolante,
• couche sacrificielle (par exemple pour la réalisation de microsystèmes tels que capteurs d'accélération ou de pression, etc.),
• couche miroir ou filtre optique (possibilité d'introduire une fonction optique par un empilement de couches de différentes natures et/ou épaisseurs),
• couche (ou empilement de couches) servant à la compensation de contraintes mécaniques d'origine quelconque,
• électrode enterrée (par exemple une couche métallique entre un substrat et une couche d'oxyde),
• couche barrière (par exemple en nitrure tel que TiN, WN, etc.). Le matériau constitutif de la couche déposée par pulvérisation IBS est ainsi un oxyde (lors de la réalisation d'une couche de collage), mais peut donc être en variante un nitrure, un oxynitrure, un élément ou un alliage métallique, etc. II faut noter qu'il n'est pas nécessaire de procéder à un traitement de densification des oxydes IBS puisqu'ils sont déjà très denses, dès le dépôt, avec une densité compatible avec un collage de très bonne qualité.
En variante, le dépôt de la couche IBS a lieu avant l'implantation.
Avantageusement, un nettoyage est réalisé dans la chambre de dépôt IBS, avant le dépôt, en sorte de préparer la surface du substrat donneur, et ainsi améliorer l'adhérence de la couche déposée sur la surface de ce substrat. Un tel nettoyage peut en effet consister en un bombardement de la surface par des ions neutres, tels que de l'argon ou du xénon (on peut qualifier cette préparation de décapage).
Cette pulvérisation par faisceau d'ions peut être réalisée de plusieurs manières spécifiques, selon d'éventuelles particularités intervenant lors de sa mise en œuvre ; on connaît ainsi la technologie RIBS (ou « Reactive IBS »), mais d'autres variantes peuvent être utilisées.
On peut en particulier mettre en œuvre la technologie DIBS (« Dual IBS »), qui fait en outre intervenir un faisceau d'assistance, qui permet d'augmenter la compacité des couches mais aussi de contrôler la stoechiométrie de la couche au cours du dépôt, en jouant éventuellement sur un apport gazeux supplémentaire (par exemple de l'oxygène, dans le cas d'un dépôt d'oxyde).
La figure 6 est un schéma de principe d'une installation adaptée à la mise en œuvre de cette technologie DIBS, dans le cas, à titre d'exemple, de la formation d'un revêtement d'oxyde silicium sur un ensemble de substrats.
Dans une enceinte 10 sous vide sont disposés (les valeurs numériques correspondent, à titre d'exemple, au cas d'une installation de type OXFORD 500) :
- une source d'ions (source de pulvérisation) 11 qui génère un faisceau 12 d'ions mono-énergétiques (typiquement entre 500 et 1500 eV) positifs, défini spatialement. Le faisceau, ici formé d'ions argon, bombarde une cible 13 constituée du matériau à déposer (dans le cas considéré, du SiO2). Les espèces pulvérisées sont émises dans le demi-espace situé face à la cible et viennent se condenser sur les substrats 14 (ici portés par un support planétaire 14A) pour former la couche de revêtement 3 de la figure 2 (non représentée sur cette figure 6),
- une source d'assistance 15 émettant des ions de plus faible énergie (typiquement de 50 à 100 eV), selon un faisceau 16 qui a pour but d'augmenter la compacité des couches déposées sur les substrats mais aussi de contrôler la stoechiométrie de ces couches minces en cours de dépôt (dans ce cas, il est possible de substituer tout ou partie du flux de gaz neutre ionisé de la source 15 par de l'oxygène ou un autre gaz réactif avec la couche en cours de formation) ; cette source d'assistance peut aussi être employée comme source de flux de décapage des substrats avant de commencer le dépôt proprement dit.
Le pompage de la chambre de dépôt est avantageusement de type « sec », pour éviter toute contamination particulaire et organique : le vide limite est typiquement de 2.108 Torr.
Des couches d'épaisseur typique de 0.1 à 1 micron peuvent être réalisées avec, ou sans, source d'assistance. En fait, cette source d'assistance est avantageusement uniquement utilisée pour le décapage de la surface des substrats, pendant 5 minutes, par exemple. Comme indiqué ci-dessus, le gaz neutre peut être de l'argon ou du xénon.
Un exemple de conditions opératoires de l'appareil OXFORD 500 mentionné ci-dessus est défini comme suit :
- canon de dépôt (xénon) : tension de 1000V, intensité de 100mA, et débit de 2.1 sccm (c'est-à-dire 2.1 cm3 standards par minute (« standard cubic centimeter per minute »),
- canon d'assistance (xénon) : tension de 200V, intensité de 2OmA, et débit de 6 sccm,
- ajout d'un débit de 4 sccm d'oxygène directement dans l'enceinte. Il peut être rappelé ici que la technologie IBS correspond à des vitesses de dépôt très faibles (typiquement de l'ordre d'un angstrôm par seconde, à comparer à des vitesses de dépôt de l'ordre de 100 à 1000 angstrôms par seconde dans le cas des technologies PECVD ou LPCVD), ce qui contribue à leur densité élevée.
Une manière d'évaluer la densité d'un revêtement de faible épaisseur est d'en mesurer la vitesse de gravure chimique (la densité d'un revêtement est inversement proportionnelle à cette vitesse).
Les vitesses de gravure de différents types d'oxydes SiO2 sont indiquées ci-dessous pour diverses conditions :
- thermique (dépôt à 11000C) : vitesse de 850 angstrôms/mn
- IBS (dépôt à moins de 100 0C) : vitesse de 1050 angstrôms/mn
- PECVD LF (dépôt vers 300 0C) : vitesse de 1600 angstrôms/mn,
- LPCVD (HTO DCS) (dépôt vers 900 0C) : vitesse de 1550 angstrôms/mn.
Il est rappelé que :
• LF signifie « Low Frequency », et
• HTO DCS signifie « High Température Oxyde DiChloroSiloxane »).
On peut noter que la vitesse de gravure du revêtement obtenu par pulvérisation IBS est à peine supérieure à celle de l'oxyde thermique, de sorte que sa densité est à peine inférieure à celle de cet oxyde thermique. On observe, par contre, que la vitesse de gravure de ce revêtement IBS est sensiblement inférieure à celle de revêtements obtenus par les techniques de type CVD, et que donc sa densité est sensiblement plus élevée.
Les oxydes déposés par IBS permettent donc une qualité de collage comparable à celle d'un oxyde thermique, même lorsqu'il ne s'agit pas de l'oxyde du matériau constitutif du substrat porteur, avec l'avantage d'être réalisés à très basse température, donc d'être compatibles avec tout type de substrat, notamment processé.
Lorsqu'on applique un traitement thermique à haute température sur la structure collée obtenue après séparation (formée du substrat récepteur, de la couche d'oxyde et de la couche mince séparée vis-à-vis du reste du substrat donneur), on assiste souvent à des décollements, des soulèvements, voire des arrachements locaux de la couche mince transférée, par dégazage ou transformation de la couche d'oxyde lorsque celle-ci n'est pas assez dense (cas du dépôt PECVD ou LPCVD). Mais cet inconvénient n'est pas apparu pour les dépôts IBS, dont la forte densité leur confère un excellent comportement à haute température et permet ainsi de diminuer la défectivité finale des structures.
Dans l'exemple des figures 1 à 5, l'implantation a lieu dans la première structure ; en variante, cette implantation a lieu dans la seconde structure (il peut même y avoir une implantation dans les deux structures).
Par ailleurs, dans cet exemple, la couche de revêtement est formée sur la surface de cette première structure, et ce de manière directe (donc directement sur la partie de ce substrat présentant en surface le premier matériau) ; en variante, cette couche de revêtement est réalisée sur la seconde structure ; cette couche de revêtement peut aussi être déposée indirectement à la surface de cette première ou seconde structure, sur une sous-couche (ou couche sous-jacente), formée sur la surface de cette structure (éventuellement, elle aussi, par pulvérisation par faisceau d'ions). Il peut aussi y avoir une couche de revêtement sur chacune des deux structures.
Des exemples d'application de l'invention sont donnés ci-dessous
Exemple 1
Un substrat en GaN (70Ga14N) cristallin est implanté avec des ions H dans les conditions suivantes :
- énergie : 60 keV,
- dose : 3.5 1017 cm"2.
Une couche de Siθ2, d'épaisseur comprise entre 500 nm et 1 micron est ensuite déposée par pulvérisation IBS sur le substrat implanté. Préalablement à l'étape proprement dite de dépôt, le substrat GaN est nettoyé, in situ (dans l'enceinte de dépôt IBS), par une étape de décapage pendant 5 mn.
Le substrat GaN portant la couche d'oxyde est ensuite collé par adhésion moléculaire sur un substrat en saphir. Pour cela, on effectue, à titre d'exemple, un polissage mécano-chimique de la couche d'oxyde, puis un brossage et un rinçage des plaques à coller.
En variante, on réalise un traitement plasma sur la surface de la couche d'oxyde, par exemple un plasma O2.
On provoque ensuite la fracture au niveau de la couche implantée, par un traitement thermique dans la gamme de 200 0C à 400 0C. On obtient ainsi une structure GaN/Siθ2/Saphir stable, qui peut être utilisée, par exemple, pour la réalisation de diodes électroluminescentes (LED). En effet, la couche d'oxyde obtenue par IBS est, de par sa densité, tout à fait adaptée à une étape ultérieure d'épitaxie à haute température (typiquement entre 1000 0C et 1100 0C) pour former les couches actives des diodes LED.
Exemple 2
On part d'un substrat donneur LiTaθ3 cristallin.
Une couche de SiO2, d'épaisseur 100 nm, est ensuite déposée par pulvérisation IBS sur ce substrat donneur (après nettoyage in situ par une étape de décapage pendant 5 mn).
C'est ensuite que le substrat LiTaθ3 est implanté, à travers la couche d'oxyde, avec des ions H dans les conditions suivantes :
- énergie : 60 keV,
- dose : 8 1016 cm"2.
Le substrat LiTaθ3, avec la couche d'oxyde, est ensuite collée par adhésion moléculaire sur un substrat en LiTaθ3, recouvert d'une couche de collage en chrome. Le collage est par exemple réalisé par un nettoyage chimique, par un bain dit « Caro » (H2SO4/H2O2).
La fracture est ensuite provoquée au niveau de la couche implantée, par un traitement thermique de 150 0C - 1 h. On obtient ainsi une structure LiTaθ3/SiO2/Cr/LiTaO3 qui peut, par exemple, être utilisée pour la réalisation de mémoires ferroélectriques.
Exemple 3
On part d'un substrat en germanium. Une couche de SiO2, d'épaisseur 300 nm, est ensuite déposée par IBS sur le substrat donneur. Avant le dépôt, le substrat est nettoyé in situ par une étape de décapage pendant 56 mn.
Le substrat est ensuite implanté, à travers la couche d'oxyde, avec des ions H dans les conditions suivantes :
- énergie : 80 keV,
- dose : 6 1016 cm"2.
Le substrat, avec la couche d'oxyde, est ensuite collé par adhésion moléculaire sur un substrat de silicium recouvert d'une couche d'oxyde thermique. Pour cela, on peut par exemple effectuer un polissage mécano- chimique de la couche d'oxyde, suivi d'un brossage et d'un rinçage des plaques.
La fracture est ensuite provoquée au niveau de la couche implantée, par un traitement thermique de 330 0C - 1 h. On obtient ainsi une structure Ge/Siθ2/Siθ2/Si, qui peut aussi être désignée par GeOI (Germanium sur isolant ou « Ge On Insulator ») qui peut être utilisée par exemple pour la réalisation de composants micro-électroniques.
Exemple 4
On part d'un substrat de LiTaO3 dans lequel on implante : des ions H dans les conditions suivantes :
- énergie : 60 keV,
- dose : 8 1016 cm"2, et des ions He dans les conditions suivantes :
- énergie : 100 keV,
- dose : 5 1016 cm"2.
On dépose ensuite, par pulvérisation IBS, une couche de chrome (ou, en variante, de platine) de 100 nm d'épaisseur, et une éventuelle couche de SiO2 de 200 nm d'épaisseur.
On colle, par adhésion moléculaire, ce substrat à un autre substrat en LiTaO3, sur lequel on a préalablement déposé, par pulvérisation IBS, une couche de Siθ2 de 400 nm, en procédant à un polissage mécano-chimique et à un brossage.
On provoque la fracture à une température inférieure à 200 0C, par exemple par application de contraintes mécaniques. On obtient ainsi une structure LiTaθ3/électrode/isolant/LiTaθ3.
On peut éventuellement déposer un revêtement sur la surface libre, et procéder à un polissage.
Exemple 5
On part d'un substrat donneur en LiNbÛ3.
On implante, dans ce substrat, des ions He dans les conditions suivantes :
- énergie : 250 keV,
- dose : 3 1016 cm"2.
On dépose ensuite, par pulvérisation IBS, une couche de Siθ2 de 600 nm d'épaisseur.
On colle, par adhésion moléculaire, ce substrat recouvert de Siθ2, à un second substrat de silicium, recouvert d'une couche de 600nm de Siθ2 également par pulvérisation IBS.
On provoque la fracture au niveau de la couche implantée et obtient une structure Si/Siθ2/LiNbθ3, qui comporte donc une couche d'isolant enterrée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'une structure micro-électronique comportant :
- la préparation d'une première structure (1 ) présentant en surface un premier matériau différent du silicium,
- la formation à la surface de cette première structure, par pulvérisation par faisceau d'ions (IBS), d'au moins une couche de revêtement (3) d'épaisseur inférieure à un micron en un second matériau, cette couche ayant une surface libre,
- le collage moléculaire de cette surface libre à une face d'une seconde structure (4), la couche de revêtement constituant, pour les première et seconde structures, une couche de collage.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la formation de la couche de revêtement est réalisée après décapage de la surface de la première structure à l'intérieur d'une même enceinte que pour le dépôt par pulvérisation par faisceau d'ions.
3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'on forme en outre une autre couche de revêtement sur la seconde structure avant le collage moléculaire.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que cette autre couche de revêtement est réalisée par pulvérisation par faisceau d'ions.
5. Procédé selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisée en ce que cette autre couche de revêtement est réalisée dans le même second matériau que la première couche de revêtement.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on implante des ions dans l'une au moins des première et seconde structures en vue d'y former une couche enterrée de micro-cavités et, après collage moléculaire, on provoque la fracture de cette structure au niveau de cette couche enterrée de micro-cavités à une température inférieure à 4000C.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le second matériau est un oxyde.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le second matériau est un oxyde de silicium.
9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'oxyde est choisi dans le groupe constitué par Siθ2, Tiθ2, Ta2O5, HfO2.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le second matériau est un nitrure.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisée en ce que le second matériau est choisi dans le groupe constitué par Si3N4, TiN, WN, CrN.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le second matériau est un élément métallique ou un alliage métallique.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le second matériau est choisi dans le groupe constitué par Cr, Pt, AI, Ru, Ir.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le second matériau est un oxynitrure de silicium.
15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'on fait varier les proportions relatives d'oxygène et d'azote dans l'épaisseur de la couche.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que, avant de déposer la couche de revêtement, on dépose en outre, par pulvérisation par faisceau d'ions, au moins une couche sous- jacente.
17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que la couche sous-jacente est réalisée en un matériau métallique ou en un alliage métallique, et la couche de revêtement est un oxyde.
18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisée en ce que la couche de revêtement est amorphe.
19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que le premier matériau est un matériau semiconducteur.
20. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que le premier matériau est un matériau du groupe constitué par le germanium, le nitrure de gallium, l'arséniure de gallium, le tantalate de lithium et le niobate de lithium.
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