EP3369110A1 - Procédé d'élimination de défauts dans un film semiconducteur comprenant la formation d'une couche de piégeage d'hydrogène - Google Patents

Procédé d'élimination de défauts dans un film semiconducteur comprenant la formation d'une couche de piégeage d'hydrogène

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Publication number
EP3369110A1
EP3369110A1 EP16788111.9A EP16788111A EP3369110A1 EP 3369110 A1 EP3369110 A1 EP 3369110A1 EP 16788111 A EP16788111 A EP 16788111A EP 3369110 A1 EP3369110 A1 EP 3369110A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hydrogen
thin film
transferred
thinning
fracture
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16788111.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Aurélie Tauzin
Emmanuelle Lagoutte
Frédéric Mazen
Flavia PIEGAS LUCE
Shay Reboh
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
Publication of EP3369110A1 publication Critical patent/EP3369110A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P90/00—Preparation of wafers not covered by a single main group of this subclass, e.g. wafer reinforcement
    • H10P90/19—Preparing inhomogeneous wafers
    • H10P90/1904—Preparing vertically inhomogeneous wafers
    • H10P90/1906—Preparing SOI wafers
    • H10P90/1914—Preparing SOI wafers using bonding
    • H10P90/1916—Preparing SOI wafers using bonding with separation or delamination along an ion implanted layer, e.g. Smart-cut
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W10/00—Isolation regions in semiconductor bodies between components of integrated devices
    • H10W10/10—Isolation regions comprising dielectric materials
    • H10W10/181—Semiconductor-on-insulator [SOI] isolation regions, e.g. buried oxide regions of SOI wafers

Definitions

  • the field of the invention is that of the manufacture of semiconductor substrates.
  • the invention relates more particularly to the finishing treatments applied to a thin film transferred to a receiving substrate in accordance with the Smart Cut TM process, said treatments having the objective of eliminating a region of residual defects induced by the ion implantation implemented in this process.
  • gaseous species hydrogen and / or rare gases
  • a concentration sufficient to create a layer of microcavities buried in the donor substrate, at a depth which depends mainly on the implantation energy (for a given substrate and implanted species);
  • a composite substrate is obtained on the one hand consisting of a thin film (the thickness of which corresponds to the depth of the microcavity layer buried in the donor substrate) carried on the receiving substrate, and on the other hand the residue of the donor substrate. Finishing treatments of the composite substrate are subsequently conventionally implemented. These treatments typically include the following steps:
  • a heat treatment generally at high temperature (in the range of 200 ° C to 1100 ° C), which allows both to consolidate the bonding interface (in particular in the case of molecular adhesion) and to eliminating residual defects and / or gaseous species that may be present in the volume of the transferred thin film;
  • cleanings which aims to eliminate the particles and metal contamination induced by the previous steps.
  • Some cleanings may also be application-specific, for example to achieve surface passivation to perform a subsequent epitaxial operation.
  • the region of residual defects after fracture is located in the immediate vicinity of the surface, typically to a depth of less than 100 nm below the surface. fractured.
  • the heat treatment results in an exo-diffusion of the residual hydrogen, mainly through the fracture surface, which is thus eliminated from the transferred film. Finishing treatments do not lead to the formation of new defects.
  • the residual hydrogen present in the films after fracture may, during a subsequent annealing of consolidation of the bonding interface at a temperature greater than 300 ° C., diffuse and become trapped at the bonding interface.
  • the presence of hydrogen at the bonding interface can then result in sufficiently large microscopic detachments between the transferred thin film and the receiving substrate to cause surface blistering of the transferred films.
  • FIG. 1a more particularly represents the concentration of hydrogen [H] as a function of the depth Pf within a transferred InP film of 780 nm in thickness for different cases of Fig.
  • FIG. 1a more specifically represents profiles obtained by secondary ionization mass spectrometry which makes it possible to measure the quantity of interstitial hydrogen ("diluted" in the crystalline mesh of the substrate) but not the molecular hydrogen (in gaseous form H2).
  • Curve A thus illustrates the hydrogen concentration, measured directly after the fracture.
  • the surface S of the film is at the depth "0 nm" and the hydrogen-rich zone corresponds globally to 70% of the thickness of the film.
  • Curve B represents, for its part, the hydrogen concentration after carrying out finish treatments comprising a chemical-mechanical polishing having a thickness of 400 nm to obtain the desired final thickness of InP of 380 nm (the surface of the thinned film is found at the depth "400 nm" in Figure la) and annealing at 600 ° C made to consolidate the bonding.
  • the shaded area QHr schematically represents the amount of residual hydrogen removed from the transferred film by annealing at 600 ° C. It can be seen that this residual hydrogen does not diffuse completely through the free surface of the film, but that at least one part is trapped at the bonding interface 1c. This presence of hydrogen at the bonding interface, in gaseous form, leads to the formation of blisters on the surface of the transferred film as evidenced by the photomicrograph reproduced in FIG.
  • the aim of the invention is to improve the quality of the thin films obtained by transfer according to the Smart Cut TM process, and more particularly to prevent the formation of surface blisters of such thin films as a result of a residual quantity of hydrogen after major and extensive fracture.
  • the invention proposes a method of treating a thin film transferred from a donor substrate to a receptor substrate by fracture at a zone of the embrittled donor substrate by ion implantation of hydrogen, the process comprising a step of thinning the transferred thin film to eliminate a region of residual defects, and being characterized in that it comprises, directly after the fracture and before the step of thinning the transferred thin film, a step of forming a hydrogen trapping layer in the residual defect region of the transferred thin film, the thinning extending at least from the surface of the thin film to the hydrogen trapping layer.
  • the formation of the hydrogen scavenging layer comprises introducing a substance into the transferred thin film selected for example from Li, B, C, N, F, Si, P and S;
  • the introduction of the hydrogen scavenging substance into the transferred thin film is carried out by ion implantation
  • the step of thinning the transferred thin film comprises a removal of the hydrogen trapping layer
  • the step of thinning the transferred thin film comprises a chemical-mechanical polishing
  • the transferred film is made of one or more materials chosen from InP or GaAs or an alloy based on the following materials In, P, Ga, As.
  • FIGS. 2a-2d are diagrams illustrating the various steps of a possible embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 3 is a diagram comparing the hydrogen concentration in the depth of a film transferred according to different treatments applied after fracture;
  • FIGS. 4a and 4b are microphotographs illustrating the surface state of a transferred thin film according to whether the invention is implemented or not;
  • FIG. 5 is another diagram comparing the hydrogen concentration in the depth of a film transferred according to different treatments applied after fracture. DETAILED PRESENTATION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
  • the invention relates to a process for finishing treatment of a thin film transferred to a receiving substrate in accordance with the Smart Cut TM method by fracture at a zone of a weakened donor substrate by ion implantation of hydrogen.
  • the method according to the invention thus follows operations consisting in forming, by ionic implantation of hydrogen, a zone weakened in the donor substrate, in making the donor substrate and the receiving substrate in intimate contact, for example by direct bonding (ie without bonding layer), and to fracture the donor substrate at the weakened zone, for example by applying a heat treatment with or without mechanical stresses.
  • the transferred thin film 1 immediately after fracture, has a region 11 of residual defects induced by the ionic implantation of hydrogen (generally referred to as a "hydrogen-rich" region) which has extended in depth since the fractured surface.
  • the transferred thin film 1 thus comprises the region of residual defects 11 and a region 12, generally devoid of such structural defects, which extends between the region of structural defects 11 and the receiving substrate 2.
  • the invention advantageously finds application to the finishing treatments of composite substrates comprising a thin surface film of a material X transferred by Smart Cut TM to a receiving substrate made of a material Y, by means of an implantation.
  • hydrogen a direct bonding (ie without bonding layer) and a thermal fracture treatment (assisted or not mechanical constraints).
  • Materials X and Y are for example InP or GaAs or an alloy based on ⁇ In, P, Ga, As ⁇ or a stack of these materials.
  • the method according to the invention comprises a step consisting in forming, within the region of residual defects 11, a hydrogen scavenging layer 13.
  • This trapping layer will notably make it possible to prevent the hydrogen present from concentrating at the level of of the collage interface.
  • the creation of this trapping layer is implemented immediately after fracturing of the donor substrate in the sense that no Thermal budget that would lead to the migration of hydrogen to the bonding interface is applied between these two steps.
  • This step of forming the hydrogen scavenging layer 13 is shown in FIG. 2b. It comprises introducing a substance into the transferred thin film, for example by means of an ion implantation Bi of said substance through the surface of the transferred thin film 1. Said substance is introduced in a concentration sufficient to create a layer trapping in the hydrogen-rich region 11 (this region can even be amorphized for high implanted concentrations).
  • the trapping capacity of this layer 13 may result from the trapping capacity of the implanted substance itself and / or defects related to the implantation of this substance. It can be accompanied, particularly when this trapping layer extends from the fractured surface, with a capacity to facilitate the exo-diffusion of hydrogen towards this fractured surface.
  • the trapping occurs mainly at the peak concentration of the substance thus introduced. In the case of an ion implantation Bi, the position of this peak depends mainly on the implantation energy (for an implanted material and a given implanted species).
  • the hydrogen scavenging layer 13 is formed in the residual flaw region 11 as shown in FIG. 2b, preferably near the fractured surface, in order to recover, as will be seen, a useful area devoid of more defects.
  • the hydrogen-trapping substances that can be introduced by ion implantation are for example ions among Li, B, C, N, F, Si, P and S which have a high affinity with hydrogen.
  • the hydrogen trapping substances are introduced at high doses in the transferred thin film, typically between 10 13 and 10 16 ions / cm 2.
  • the invention is not limited to the formation of a single hydrogen scavenging layer, but also covers the formation of several layers of hydrogen scavenging, for example by using several implantations of one or more substances. hydrogen trapping.
  • the effect of the hydrogen scavenging layer was observed in experiments of which Figure 3 gives an overview.
  • FIG. 1a FIG. 3 represents the concentration of hydrogen [H] as a function of the depth Pf within a transferred InP film of 780 nm thickness for different cases.
  • Curve C thus illustrates the hydrogen concentration, measured directly after the fracture, while curve D represents the hydrogen concentration after formation of the hydrogen scavenging layer by implantation of P at a dose of 5 ⁇ 10 15 P + / cm.
  • the process according to the invention advantageously comprises, between the step of forming the hydrogen scavenging layer 13 and the thinning stage of the transferred thin film 1, an applied heat treatment step to the thin film 1 transferred to the receiving substrate 2.
  • This step facilitates the diffusion of the residual hydrogen after fracture by the fracture surface (exo-diffusion symbolized by the reference ExD in FIG. 2c) and / or to the trapping layer (and the peak of implantation) thus avoiding that it comes to diffuse towards the bonding interface.
  • This heat treatment step can be carried out at a temperature between 300 ° C and 700 ° C. Its duration can be between a few seconds and a few hours. It is preferably carried out under a controlled atmosphere devoid of hydrogen (for example under vacuum, under N 2 or Ar).
  • Curve E in FIG. 3 illustrates the hydrogen concentration after carrying out such heat treatment at 400 ° C. for one hour. Hydrogen scavenging is observed at the level of the peak in Rp concentration of the implanted phosphorus, as well as a significant reduction in the residual amount of hydrogen. The size region The useful free-of-defects method is thus significantly increased (around 400 nm against 200 nm without heat treatment): it now extends from the bonding interface to the trapping layer.
  • curve F in FIG. 3 illustrates the concentration of hydrogen after implementation of a heat treatment at 400 ° C. for one hour, directly after fracture, without formation of a hydrogen trapping layer. .
  • the trapping of hydrogen at the level of the peak in concentration Rp means that the trapped quantity can not lead to the formation of bubbles at the bonding interface.
  • FIGS. 4a and 4b also reproduce surface microphotographs of the transferred thin film respectively corresponding to curves F and E of FIG. 3.
  • the quantity of defects (blisters) formed in the context of the invention (FIG. 4b) is well below the reference ( Figure 4a), which indicates that the hydrogen is well trapped in the trapping layer and / or exo-diffused thin film, rather than diffused to the bonding interface.
  • the method according to the invention furthermore comprises with reference to FIG. 2d, after formation of the hydrogen scavenging layer and possible application of a heat treatment, thinning of the transferred thin film 1 to keep only the region 12 free. of defects.
  • the thinning is thus effected from the fractured surface until the trapping layer 13 is completely eliminated. It can of course be continued to reach a desired thickness for the defect-free region 12, and is preferably stopped before initial post-fracture interface between regions 11 and 12. This thinning is typically performed by polishing or etching. .
  • Thinning may be followed by the application of a new heat treatment, for example at a temperature between 300 and 700 ° C.
  • This new heat treatment contributes to strengthening the bonding interface and eliminating defects caused by implantation.
  • the donor substrate is an InP substrate (100) of 100 mm diameter, n-doped with sulfur atoms in a concentration of 1.10 17 to 1.10 19 / cm 3 .
  • This donor substrate is implanted with hydrogen ions at an energy of 100keV, a dose of 6.5 ⁇ 10 16 / cm 2 and a temperature of 140 ° C.
  • the implanted surface is bonded to a 100mm diameter GaAs substrate by direct bonding after chemical cleaning and close contact of the surfaces.
  • the fracture is caused by an annealing at 275 ° C including ramps and bearings for a total duration of 8 hours.
  • the InP film thus transferred onto the GaAs substrate has a thickness of 780 nm.
  • the hydrogen-rich zone of this film extends from the surface to a depth of 550 nm.
  • the amount of residual hydrogen is about 2.6 ⁇ 10 6 H / cm 2 .
  • the InP film is then implanted with Bore ions at an energy of 230keV and a dose of 3.10 15 B / cm 2 .
  • the peak of the Bore atoms is then located at 515 nm below the fractured surface.
  • Annealing at 400 ° C for lh can trap until, 3.10 16 H / cm 2 between the surface and the peak of boron.
  • the InP film is then polished by chemical mechanical polishing to the desired final thickness of 380nm.
  • a high temperature anneal can then be applied to consolidate the bonding and heal defects related to implantation.
  • the curve G represents the concentration of hydrogen [H] as a function of the depth Pf within the film transferred directly after the fracture, while the curve H represents the concentration of hydrogen after formation of the trapping layer.
  • hydrogen by implantation of Bore Curve I represents the hydrogen concentration after formation of the hydrogen scavenging layer by boron implantation and annealing at 400 ° C. for one hour. This curve I shows the retention of a dose of 1.3 ⁇ 10 16 H / cm 2 at the 350 nm depth.
  • curve J represents the hydrogen concentration after post-fracture application of annealing at 400 ° C for one hour, in the absence of formation of a hydrogen scavenging layer. It is found that the hydrogen has entirely diffused, mostly towards the bonding interface, giving rise to the formation of surface blisters.
  • Example 2 Example 2
  • a Zn-doped GaAs donor substrate (100) is implanted with H2 + ions at an energy of 240 kV, a dose of 3.4 ⁇ 10 16 / cm 2 and a temperature of 275 ° C.
  • This donor substrate is bonded to an InP receptor substrate by direct bonding, and the fracture is caused by annealing at 200 ° C. for 2 hours.
  • the transferred GaAs film has a thickness of 500 nm, and its H-rich zone extends from the surface to a depth of 400 nm.
  • the GaAs receptor substrate is then implanted with B ions at an energy of 100 keV and a dose of 3.10 15 / cm 2 .
  • the peak of B atoms is then located at about 250 nm below the fractured surface.
  • Annealing at 600 ° C for 1h was performed to trap residual hydrogen in the transferred GaAs film.
  • the GaAs film is then polished to about 250nm to obtain the desired final thickness of 250nm.

Landscapes

  • Recrystallisation Techniques (AREA)

Abstract

L'invention concerne un procédé de traitement d'un film mince (1) transféré d'un substrat donneur vers un substrat récepteur par fracture au niveau d'une zone du substrat donneur fragilisée par implantation ionique d'hydrogène, le procédé comprenant une étape d'amincissement du film mince transféré (1) pour éliminer une région de défauts résiduels (11) induits par l'implantation ionique d'hydrogène, et étant caractérisé en ce qu'il comprend, directement après la fracture et avant l'étape d'amincissement du film mince transféré, une étape de formation d'une couche de piégeage d'hydrogène (13) dans la région de défauts résiduels du film mince transféré (1). Un traitement thermique peut être mis en œuvre après formation de la couche de piégeage d'hydrogène et avant amincissement du film mince.

Description

PROCÉDÉ D'ÉLIMINATION DE DÉFAUTS DANS UN FILM SEMICONDUCTEUR COMPRENANT LA FORMATION D'UNE COUCHE DE PIÉGEAGE D'HYDROGÈNE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
Le domaine de l'invention est celui de la fabrication de substrats semi- conducteurs. L'invention concerne plus particulièrement les traitements de finition appliqués à un film mince transféré sur un substrat receveur conformément au procédé Smart Cut™, lesdits traitements ayant pour objectif d'éliminer une région de défauts résiduels induits par l'implantation ionique mise en œuvre dans ce procédé.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La technologie Smart Cut™ permet le détachement d'un film mince depuis un substrat donneur et son transfert sur un substrat receveur par la mise en œuvre des étapes suivantes :
bombardement ionique d'une face du substrat donneur avec des espèces gazeuses (hydrogène et/ou gaz rares) en une concentration suffisante pour créer une couche de microcavités enterrée dans le substrat donneur, à une profondeur qui dépend principalement de l'énergie d'implantation (pour un substrat et une espèce implantée donnés) ;
mise en contact intime de cette face du substrat donneur avec un substrat receveur, par exemple par adhésion moléculaire ; et
- fracture au niveau de la couche de microcavités enterrée, par l'application d'un traitement thermique et/ou d'une contrainte mécanique.
Après fracture, on obtient d'une part un substrat composite constitué d'un film mince (dont l'épaisseur correspond à la profondeur de la couche de microcavités enterrée dans le substrat donneur) reporté sur le substrat receveur, et d'autre part le reliquat du substrat donneur. Des traitements de finition du substrat composite sont par la suite classiquement mis en œuvre. Ces traitements comprennent typiquement les étapes suivantes :
un polissage mécano-chimique qui permet d'ajuster finement l'épaisseur du film mince transféré tout en éliminant les défauts et/ou espèces gazeuses résiduels induits par l'implantation et situés à proximité de la surface fracturée. Ce polissage permet par ailleurs de recouvrer une excellente qualité de surface, typiquement un lissage à l'échelle atomique ;
un traitement thermique, en général à haute température (dans la gamme des 200 °C à 1100 °C), qui permet à la fois de consolider l'interface de collage (en particulier dans le cas de l'adhésion moléculaire) et d'éliminer les défauts et/ou espèces gazeuses résiduels éventuellement présents dans le volume du film mince transféré ;
un nettoyage qui vise à éliminer les particules et la contamination métallique induites par les étapes précédentes. Certains nettoyages peuvent aussi être spécifiques à l'application, par exemple pour réaliser une passivation de surface permettant d'exécuter une opération ultérieure d'épitaxie.
Dans le cas de certains substrats donneurs implantés en hydrogène, notamment ceux de Si, Ge ou de GaN, la région de défauts résiduels après fracture est située à proximité immédiate de la surface, typiquement jusqu'à une profondeur inférieure à 100 nm sous la surface fracturée. Par ailleurs le traitement thermique entraîne une exo-diffusion de l'hydrogène résiduel, principalement à travers la surface de fracture, qui est ainsi éliminé du film transféré. Les traitements de finition n'entraînent alors pas la formation de nouveaux défauts.
Dans d'autres cas néanmoins, par exemple pour des films d'InP, de GaAs ou d'alliages {In, P, Ga, As}, on observe après fracture une quantité d'hydrogène résiduel importante et très étendue. Cette zone dite « riche en hydrogène » s'étend depuis la surface fracturée jusqu'à une profondeur qui peut correspondre dans certains cas à 60% voire à 90% de l'épaisseur du film transféré. La concentration en hydrogène dans cette zone riche en hydrogène peut être supérieure à 2.1020 ions/cm3. Compte-tenu de l'épaisseur de cette zone riche en hydrogène, il n'est pas toujours possible de l'éliminer totalement par amincissement du film transféré (par exemple par polissage), l'épaisseur restante étant effectivement trop faible et/ou inadaptée pour les applications visées. Or l'hydrogène résiduel présent dans les films après fracture peut, lors d'un recuit ultérieur de consolidation de l'interface de collage à une température supérieure à 300 °C, diffuser et venir se piéger au niveau de l'interface de collage. La présence d'hydrogène à l'interface de collage peut alors entraîner des détachements microscopiques suffisamment importants entre le film mince transféré et le substrat récepteur pour provoquer la formation de cloques en surface des films transférés.
Sur les figures la et lb qui illustrent cette problématique, la figure la représente plus particulièrement la concentration en hydrogène [H] en fonction de la profondeur Pf au sein d'un film transféré d'InP de 780 nm d'épaisseur pour différents cas de figure. La figure la représente plus précisément des profils obtenus par spectrométrie de masse à ionisation secondaire qui permet de mesurer la quantité d'hydrogène interstitiel (« dilué » dans la maille cristalline du substrat) mais pas l'hydrogène moléculaire (sous forme gazeuse H2).
La courbe A illustre ainsi la concentration en hydrogène, mesurée directement après la fracture. La surface S du film se trouve à la profondeur « 0 nm » et la zone riche en hydrogène correspond globalement à 70 % de l'épaisseur du film.
La courbe B représente quant à elle la concentration en hydrogène après réalisation de traitements de finition comprenant un polissage mécano-chimique d'une épaisseur de 400 nm pour obtenir l'épaisseur finale souhaitée d'InP de 380 nm (la surface du film aminci se trouve ainsi à la profondeur « 400 nm » sur la figure la) et un recuit à 600 °C réalisé pour consolider le collage.
La zone hachurée QHr représente de manière schématique la quantité d'hydrogène résiduel éliminée du film transféré par le recuit à 600 °C. On constate que cet hydrogène résiduel n'exo-diffuse pas complètement par la surface libre du film, mais qu'au moins une partie vient se piéger à l'interface de collage le. Cette présence d'hydrogène à l'interface de collage, sous forme gazeuse, conduit à la formation de cloques en surface du film transféré comme en atteste la microphotographie reproduite en figure lb.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention a pour objectif d'améliorer la qualité des films minces obtenus par transfert selon le procédé Smart Cut™, et vise plus particulièrement à éviter la formation de cloques en surface de tels films minces consécutive d'une quantité résiduelle d'hydrogène après fracture importante et étendue.
A cet effet, l'invention propose un procédé de traitement d'un film mince transféré d'un substrat donneur vers un substrat récepteur par fracture au niveau d'une zone du substrat donneur fragilisée par implantation ionique d'hydrogène, le procédé comprenant une étape d'amincissement du film mince transféré pour éliminer une région de défauts résiduels, et étant caractérisé en ce qu'il comprend, directement après la fracture et avant l'étape d'amincissement du film mince transféré, une étape de formation d'une couche de piégeage d'hydrogène dans la région de défauts résiduels du film mince transféré, l'amincissement s'étendant au moins depuis la surface du film mince jusqu'à la couche de piégeage d'hydrogène.
Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce procédé sont les suivants :
la formation de la couche de piégeage d'hydrogène comprend l'introduction d'une substance dans le film mince transféré choisie par exemple parmi Li, B, C, N, F, Si, P et S ;
l'introduction de la substance de piégeage d'hydrogène dans le film mince transféré est réalisée par implantation ionique ;
il comprend, entre l'étape de formation de la couche de piégeage d'hydrogène et l'étape d'amincissement du film mince transféré, une étape de traitement thermique appliqué au film mince transféré sur le substrat récepteur ;
l'étape de traitement thermique est réalisée à une température comprise entre 300°C et 700°C ; l'étape de traitement thermique est réalisée sous une atmosphère dépourvue d'hydrogène ;
l'étape d'amincissement du film mince transféré comprend un retrait de la couche de piégeage d'hydrogène ;
- l'étape d'amincissement du film mince transféré comprend un polissage mécano- chimique ;
le film transféré est réalisé en un ou plusieurs matériaux choisis parmi InP ou GaAs ou un alliage à base des matériaux suivants In, P, Ga, As.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels, outre les figures la et lb déjà discutées précédemment :
- les figures 2a-2d sont des schémas illustrant les différentes étapes d'un mode de réalisation possible du procédé selon l'invention ;
- la figure 3 est un schéma comparant la concentration en hydrogène dans la profondeur d'un film transféré selon différents traitements appliqués après fracture ;
- les figures 4a et 4b sont des microphotographies illustrant l'état de surface d'un film mince transféré selon que l'invention est ou non mise en œuvre ;
- la figure 5 est un autre schéma comparant la concentration en hydrogène dans la profondeur d'un film transféré selon différents traitements appliqués après fracture. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
L'invention a pour objet un procédé de traitement de finition d'un film mince transféré sur un substrat receveur conformément au procédé Smart Cut™ par fracture au niveau d'une zone d'un substrat donneur fragilisée par implantation ionique d'hydrogène.
Le procédé selon l'invention fait ainsi suite à des opérations consistant à former par implantation ionique d'hydrogène une zone fragilisée dans le substrat donneur, à mettre en contact intime le substrat donneur et le substrat receveur, par exemple par collage direct (i.e. sans couche de collage), et à fracturer le substrat donneur au niveau de la zone fragilisée, par exemple par application d'un traitement thermique accompagné ou non de contraintes mécaniques.
En référence à la figure 2a, immédiatement après fracture, le film mince transféré 1 présente une région 11 de défauts résiduels induits par l'implantation ionique d'hydrogène (région généralement qualifiée de « riche en hydrogène ») qui s'étend en profondeur depuis la surface fracturée. Le film mince transféré 1 comprend ainsi la région de défauts résiduels 11 et une région 12, globalement dénuée de tels défauts structurels, qui s'étend entre la région de défauts structurels 11 et le substrat receveur 2.
Sans que cela soit pour autant limitatif, l'invention trouve avantageusement application aux traitements de finition de substrats composites comportant un film mince superficiel en un matériau X transféré par Smart Cut™ sur un substrat récepteur en un matériau Y, au moyen d'une implantation d'hydrogène, d'un collage direct (i.e. sans couche de collage) et d'un traitement de fracture thermique (assisté ou non de contraintes mécaniques). Les matériaux X et Y sont par exemple InP ou GaAs ou un alliage à base d'{ln, P, Ga, As} ou un empilement de ces matériaux.
Le procédé selon l'invention comprend une étape qui consiste à former au sein de la région de défauts résiduels 11 une couche de piégeage d'hydrogène 13. Cette couche de piégeage va notamment permettre d'éviter que l'hydrogène présent se concentre au niveau de l'interface de collage. La création de cette couche de piégeage est mise en œuvre immédiatement après fracture du substrat donneur en ce sens qu'aucun budget thermique qui entraînerait la migration de l'hydrogène vers l'interface de collage n'est appliqué entre ces deux étapes.
Cette étape de formation de la couche de piégeage d'hydrogène 13 est représentée sur la figure 2b. Elle comprend l'introduction d'une substance dans le film mince transféré, par exemple au moyen d'une implantation ionique Bi de ladite substance à travers la surface du film mince transféré 1. Ladite substance est introduite en une concentration suffisante pour créer une couche de piégeage dans la région riche en hydrogène 11 (cette région pouvant même s'amorphiser pour de fortes concentrations implantées). La capacité de piégeage de cette couche 13 peut résulter de la capacité de piégeage de la substance implantée elle-même et/ou des défauts liés à l'implantation de cette substance. Elle peut s'accompagner, notamment lorsque cette couche de piégeage s'étend depuis la surface fracturée, d'une capacité à faciliter l'exo-diffusion de l'hydrogène vers cette surface fracturée. Le piégeage a lieu principalement au niveau du pic de concentration de la substance ainsi introduite. Dans le cas d'une implantation ionique Bi, la position de ce pic dépend principalement de l'énergie d'implantation (pour un matériau implanté et une espèce implantée donnés).
La couche de piégeage d'hydrogène 13 est formée dans la région de défauts résiduels 11 comme représenté sur la figure 2b, de préférence à proximité de la surface fracturée et ce afin de récupérer comme on le verra une zone utile dénuée de défauts plus importante.
Les substances de piégeage d'hydrogène pouvant être introduite par implantation ionique sont par exemple des ions parmi Li, B, C, N, F, Si, P et S qui présentent une forte affinité avec l'hydrogène. Les substances de piégeage d'hydrogène sont introduites à de fortes doses dans le film mince transféré, typiquement comprises entre 1013 et 1016 ions/cm2.
L'invention n'est pas limitée à la formation d'une unique couche de piégeage d'hydrogène, mais couvre également la formation de plusieurs couches de piégeage d'hydrogène, par exemple en ayant recours à plusieurs implantations d'une ou plusieurs substances de piégeage d'hydrogène. L'effet de la couche de piégeage d'hydrogène a été observé lors d'expériences dont la figure 3 donne un aperçu. Comme pour la figure la, la figure 3 représente la concentration en hydrogène [H] en fonction de la profondeur Pf au sein d'un film transféré d'InP de 780nm d'épaisseur pour différents cas de figure. La courbe C illustre ainsi la concentration en hydrogène, mesurée directement après la fracture, tandis que la courbe D représente la concentration en hydrogène après formation de la couche de piégeage d'hydrogène par implantation de P à une dose de 5xl015 P+/cm2 et une énergie de 230 keV (le pic Rp est alors situé à 235 nm de la surface). On constate de la comparaison de ces deux courbes un effet de piégeage de l'hydrogène au niveau du pic en concentration Rp du phosphore implanté. Ce piégeage s'accompagne d'une augmentation de la taille de la région utile 12 dénuée de défauts structurels (de l'ordre de 200 nm contre 150 nm sans réalisation de la couche de piégeage).
On peut alors procéder à une étape d'amincissement du film mince transféré 1 pour ne conserver que cette région 12 exempte de défauts.
Comme représenté sur la figure 2c, le procédé selon l'invention comprend avantageusement, entre l'étape de formation de la couche de piégeage d'hydrogène 13 et l'étape d'amincissement du film mince transféré 1, une étape de traitement thermique appliqué au film mince 1 transféré sur le substrat récepteur 2. Cette étape facilite la diffusion de l'hydrogène résiduel après fracture par la surface de fracture (exo-diffusion symbolisée par la référence ExD sur la figure 2c) et/ou vers la couche de piégeage (et le pic d'implantation) en évitant ainsi qu'il ne vienne diffuser vers l'interface de collage.
Cette étape de traitement thermique peut être réalisée à une température comprise entre 300°C et 700°C. Sa durée peut être comprise entre quelques secondes et quelques heures. Elle est de préférence réalisée sous une atmosphère contrôlée dépourvue d'hydrogène (par exemple sous vide, sous N2 ou Ar).
La courbe E sur la figure 3 illustre la concentration d'hydrogène après mise en œuvre d'un tel traitement thermique à 400°C pendant une heure. On observe le piégeage de l'hydrogène au niveau du pic en concentration Rp du phosphore implanté, ainsi qu'une réduction significative de la quantité résiduelle d'hydrogène. La taille région utile 12 dénuée de défauts est ainsi significativement augmentée (autour de 400 nm contre 200 nm sans traitement thermique) : elle s'étend désormais depuis l'interface de collage jusqu'à la couche de piégeage. A titre de comparaison, la courbe F sur la figure 3 illustre la concentration d'hydrogène après mise en œuvre d'un traitement thermique à 400°C pendant une heure, directement après fracture, sans formation d'une couche de piégeage d'hydrogène. Sur la courbe E, le piégeage d'hydrogène au niveau du pic en concentration Rp fait que la quantité piégée ne peut conduire à la formation de bulles à l'interface de collage.
On a par ailleurs reproduit sur les figures 4a et 4b des microphotographies de surface du film mince transféré correspondant respectivement aux courbes F et E de la figure 3. La quantité de défauts (cloques) formé dans le cadre de l'invention (figure 4b) est ainsi bien inférieure à la référence (figure 4a), ce qu'indique que l'hydrogène est bien piégé dans la couche de piégeage et/ou exo-diffusé du film mince, plutôt que diffusé vers l'interface de collage.
Le procédé selon l'invention comprend par ailleurs en référence à la figure 2d, après formation de la couche de piégeage d'hydrogène et éventuelle application d'un traitement thermique, un amincissement du film mince transféré 1 pour ne conserver que la région 12 exempte de défauts. Avantageusement, l'amincissement s'opère ainsi depuis la surface fracturée jusqu'à éliminer totalement la couche de piégeage 13. Il peut bien entendu être poursuivi pour atteindre une épaisseur souhaitée pour la région 12 exempte de défauts, et est de préférence arrêté avant l'interface initiale post-fracture entre les régions 11 et 12. Cet amincissement est typiquement réalisé par polissage ou gravure. .
L'amincissement peut être suivi de l'application d'un nouveau traitement thermique, par exemple à une température comprise entre 300 et 700°C. Ce nouveau traitement thermique contribue à renforcer l'interface de collage et à éliminer des défauts induits par l'implantation.
Deux exemples de réalisation de l'invention sont les suivants. Exemple 1
Le substrat donneur est un substrat InP (100) de diamètre 100mm, dopé n avec des atomes de soufre en concentration de 1.1017 à 1.1019/cm3. Ce substrat donneur est implanté avec des ions hydrogène à une énergie de 100keV, une dose de 6,5.1016/cm2 et une température de 140°C. La surface implantée est collée sur un substrat GaAs de diamètre 100mm par collage direct, après un nettoyage chimique et une mise en contact intime des surfaces. La fracture est provoquée par un recuit à 275°C comprenant des rampes et des paliers pour une durée totale de 8h. Le film d'InP ainsi transféré sur le substrat GaAs présente une épaisseur de 780nm. La zone riche en hydrogène de ce film s'étend depuis la surface jusqu'à une profondeur de 550 nm. La quantité d'hydrogène résiduel est d'environ 2,6.1016H/cm2. Conformément à l'invention, le film d'InP est alors implanté avec des ions Bore à une énergie de 230keV et une dose de 3.1015B/cm2. Le pic des atomes de Bore est alors situé à 515 nm sous la surface fracturée. Un recuit à 400°C pendant lh permet de piéger jusqu'à l,3.1016H/cm2 entre la surface et le pic de Bore. Le film d'InP est ensuite poli par polissage mécano-chimique jusqu'à l'épaisseur finale souhaitée de 380nm. Un recuit à haute température peut ensuite être appliqué pour consolider le collage et guérir les défauts liés à l'implantation.
Sur la figure 5, la courbe G représente la concentration en hydrogène [H] en fonction de la profondeur Pf au sein du film transféré directement après la fracture, tandis que la courbe H représente la concentration en hydrogène après formation de la couche de piégeage d'hydrogène par l'implantation de Bore. La courbe I représente quant à elle la concentration en hydrogène après formation de la couche de piégeage d'hydrogène par l'implantation de Bore et application d'un recuit à 400°C pendant une heure. Cette courbe I montre la rétention d'une dose de 1,3.1016 H/cm2 à la profondeur 350 nm. Enfin, la courbe J représente quant à elle la concentration en hydrogène après application post-fracture d'un recuit à 400°C pendant une heure, en l'absence de formation d'une couche de piégeage d'hydrogène. On constate que l'hydrogène a entièrement diffusé, en grande majorité vers l'interface de collage, donnant lieu à la formation de cloques en surface. Exemple 2
Un substrat donneur GaAs (100) dopé Zn est implanté avec des ions H2+ à une énergie de 240keV, une dose de 3,4.1016/cm2 et à une température de 275°C. Ce substrat donneur est collé sur un substrat récepteur d'InP par collage direct, et la fracture est provoquée par un recuit à 200°C pendant 2h. Le film de GaAs transféré présente une épaisseur de 500nm, et sa zone riche en H s'étend depuis la surface jusqu'à une profondeur de 400nm.
Le substrat récepteur GaAs est alors implanté avec des ions B à une énergie de 100 keV et une dose de 3.1015/cm2. Le pic des atomes de B est alors situé à environ 250 nm sous la surface fracturée. Un recuit à 600°C pendant lh est réalisé pour piéger l'hydrogène résiduel dans le film de GaAs transféré. Le film de GaAs est ensuite poli sur environ 250nm pour obtenir l'épaisseur finale souhaitée de 250nm.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement d'un film mince (1) transféré d'un substrat donneur vers un substrat récepteur (2) par fracture au niveau d'une zone du substrat donneur fragilisée par implantation ionique d'hydrogène, le procédé comprenant une étape d'amincissement du film mince transféré (1) pour éliminer une région de défauts résiduels (11), et étant caractérisé en ce qu'il comprend, directement après la fracture et avant l'étape d'amincissement, une étape de formation d'une couche de piégeage d'hydrogène (13) dans la région de défauts résiduels (11) du film mince transféré (1), et en ce que l'amincissement s'étend au moins depuis la surface du film mince jusqu'à la couche de piégeage d'hydrogène.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la formation de la couche de piégeage d'hydrogène (13) comprend l'introduction d'une substance dans le film mince transféré choisie par exemple parmi Li, B, C, N, F, Si, P et S.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'introduction de la substance de piégeage d'hydrogène dans le film mince transféré est réalisée par implantation ionique.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant, entre l'étape de formation de la couche de piégeage d'hydrogène (13) et l'étape d'amincissement du film mince transféré (1), une étape de traitement thermique appliqué au film mince (1) transféré sur le substrat récepteur.
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'étape de traitement thermique est réalisée à une température comprise entre 300°C et 700°C.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'étape de traitement thermique est réalisée sous une atmosphère dépourvue d'hydrogène.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel l'étape d'amincissement du film mince transféré (1) comprend un retrait de la couche de piégeage d'hydrogène (13).
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel l'étape d'amincissement du film mince transféré comprend un polissage mécano-chimique.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le film transféré est réalisé en un ou plusieurs matériaux choisis parmi InP ou GaAs ou un alliage à base des matériaux suivants In, P, Ga, As.
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