EP3939076A1 - Method for transferring a useful layer onto a support substrate - Google Patents

Method for transferring a useful layer onto a support substrate

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Publication number
EP3939076A1
EP3939076A1 EP20713728.2A EP20713728A EP3939076A1 EP 3939076 A1 EP3939076 A1 EP 3939076A1 EP 20713728 A EP20713728 A EP 20713728A EP 3939076 A1 EP3939076 A1 EP 3939076A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
buried
plane
annealing
transfer method
support 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.)
Pending
Application number
EP20713728.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Didier Landru
Oleg Kononchuk
Nadia Ben Mohamed
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.)
Soitec SA
Original Assignee
Soitec SA
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 Soitec SA filed Critical Soitec SA
Publication of EP3939076A1 publication Critical patent/EP3939076A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
    • H01L21/76—Making of isolation regions between components
    • H01L21/762—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers
    • H01L21/7624—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology
    • H01L21/76251—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology using bonding techniques
    • H01L21/76254—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology using bonding techniques with separation/delamination along an ion implanted layer, e.g. Smart-cut, Unibond

Definitions

  • TITLE PROCESS FOR TRANSFERRING A USEFUL LAYER ON A
  • This process can be used for the manufacture of silicon on insulator substrates (SOI - “Silicon on insulator”).
  • the donor substrate 1 and the support substrate 4 are each formed from a silicon wafer, the standardized diameter of which is typically 200mm, 300mm, or even 450 mm for the next generations.
  • One and / or the other of the donor substrate 1 and of the support substrate 4 are oxidized at the surface.
  • SOI substrates must meet very precise specifications. This is particularly the case for the average thickness and the uniformity of thickness of the useful layer 3. Compliance with these specifications is required for the proper functioning of the semiconductor devices which will be formed in and on this useful layer 3. .
  • the Applicant has observed that the useful layers 3 transferred according to the aforementioned method, resulting from bonded structures prepared under similar conditions and having undergone the same heat treatment of embrittlement, did not exhibit morphological surface properties (roughness, uniformity of thickness). reproducible from plate to plate.
  • the non-reproducibility of the surface morphological properties of the useful layers after transfer can impact production yields as the finishing steps do not always succeed in bringing the roughness and uniformity of thickness of all useful layers back to the required level of specification. .
  • document EP2933828 proposes to put in contact with the assembly to be fractured, an absorbing element to dissipate the acoustic vibrations emitted during initiation and the self-sustaining propagation of the fracture wave.
  • the present invention relates to a method of transferring a useful layer onto a support substrate.
  • the method proposes an alternative solution to those of the state of the art, aiming to obtain a low surface roughness and a good uniformity of thickness of the useful layers after transfer and to improve the plate-to-plate reproducibility of the surface morphological properties of the useful layers transferred.
  • the invention relates to a method of transferring a useful layer onto a support substrate, comprising the following steps:
  • a donor substrate comprising a buried fragile plane, the useful layer being delimited by a front face of the donor substrate and the buried fragile plane;
  • the predetermined stress causes the initiation and self-sustaining propagation of the fracture wave along said buried brittle plane, leading to the transfer of the useful layer onto the support substrate.
  • the time period is between 1 minute to 5 hours;
  • the transfer process is applied to the collective treatment of a plurality of bonded structures, and the predetermined stress is applied to the buried fragile plane of each of the bonded structures, so as to initiate the fracture wave when the given level of embrittlement is achieved for each bonded structure;
  • step d) the annealing of step d) is carried out in heat treatment equipment of horizontal or vertical configuration, suitable for the collective treatment of a plurality of bonded structures;
  • the given level of embrittlement is defined by the surface occupied by microcavities in the buried fragile plane and is chosen between 1% and 90%, preferably between 5% and 40%; -
  • the annealing of step d) reaches a maximum temperature between 300 ° C and 600 ° C;
  • FIG. 1 shows a method of transferring a thin film according to the state of the art
  • FIG. 3 shows an example of collective processing of a plurality of structures, in a transfer method according to the invention.
  • the transfer method according to the invention first of all comprises a step a) of supplying a donor substrate 1, from which the useful layer 3 will be obtained.
  • the donor substrate 1 comprises a buried fragile plane 2 (FIG. 2 - a). ).
  • the latter is advantageously formed by ion implantation of light species in the donor substrate 1, at a defined depth.
  • the light species are preferably chosen from hydrogen and helium, or a combination of hydrogen and helium, because these species are favorable to the formation of microcavities around the defined depth of implantation, giving rise to the fragile plane.
  • the useful layer 3 is delimited by a front face 1a of the donor substrate 1 and the buried fragile plane 2.
  • the donor substrate 1 can be formed by at least one material chosen from among silicon, germanium, silicon carbide, compound semiconductors IV-IV, III-V or II-VI, piezoelectric materials (for example, LiNb03 , LiTa03, ...), etc. It may also include one or more surface layers arranged on its front face 1a and / or on its rear face 1b, of all kinds, for example dielectric (s).
  • the transfer process also comprises a step b) of providing a support substrate 4 (FIG. 2 - b)).
  • the transfer method then comprises a step c) of assembling, according to a bonding interface 7, of the donor substrate 1 at its front face 1a, and of the support substrate 4, to form a bonded structure 5 (FIG. 2 - c )).
  • the assembly can be carried out by any known method, in particular by direct bonding by molecular adhesion, or by thermocompression, or even by electrostatic bonding. These techniques, which are well known from the state of the art, will not be described in detail here. It is nevertheless recalled that, previously on assembly, the donor 1 and support 4 substrates will have undergone cleaning and / or surface activation sequences, so as to guarantee the quality of the bonding interface 7 in terms of defectivity and bonding energy .
  • the annealing of step d) reaches a maximum temperature typically between 200 ° C and 600 ° C, advantageously between 300 and 500 ° C, and even more preferably between 350 ° C and 450 ° C.
  • Annealing may include a temperature rise ramp (typically between 200 ° C. and the maximum temperature) and a plateau at the maximum temperature. In general, such an annealing will have a duration of between a few tens of minutes and several hours, depending on the maximum temperature of the annealing.
  • the time / temperature pair determines the thermal budget applied to the bonded structure 5 during annealing.
  • the level of embrittlement of the buried brittle plane 2 is defined by the surface occupied by the microcavities present in the buried brittle plane 2. In the case of a donor substrate 1 made of silicon, the characterization of this surface occupied by the microcavities can be perform by infrared microscopy.
  • the level of embrittlement can increase from a low level ( ⁇ 1%, below the detection threshold of the characterization instruments) to more than 80%, depending on the thermal budget applied to the bonded structure 5 during annealing.
  • the thermal embrittlement budget is of course always maintained below the thermal fracture budget, for which the spontaneous initiation of the fracture wave is obtained in the buried fragile plane 2, during annealing.
  • the bonded structure 5 is removed after the annealing step, while the buried fragile plane 2 has a certain level. weakening.
  • An energy pulse is then applied to the buried fragile plane 2, to cause the initiation of the fracture wave: by propagating, the fracture wave generates the transfer of the useful layer 3 onto the support substrate 4.
  • the Applicant has identified problems of reproducibility of the surface morphological properties of the useful layers 3 after transfer, even though the process steps were carried out under identical conditions.
  • the period of time during which the predetermined stress is applied to the buried brittle plane 2 is typically greater than 1 min. In particular, it is between 1 minute and 5 hours. In other words, the time period is a fraction of the annealing time between 1% and 100%.
  • the predetermined stress then causes the initiation and self-sustaining propagation of the fracture wave along the buried brittle plane 2, leading to the transfer of the layer useful 3 on the support substrate 4 (figure 2 - e)).
  • the initiation of the fracture wave in the buried fragile plane 2 is not concomitant with the application of the predetermined stress to said plane 2.
  • the mechanical stress n ' is not suitable for causing the initiation and propagation of the fracture wave at the time of its application, regardless of the level of weakening of the buried fragile plane 2.
  • the predetermined mechanical stress according to the invention does not allow initiation and the propagation of the fracture wave at the time of its application; the initiation of the fracture wave is only caused by the predetermined stress when the buried brittle plane reaches the given level of embrittlement, after a period of time following the application of the constraint.
  • the predetermined stress is chosen as a function of the level of embrittlement for which it is desired that the fracture wave propagates.
  • a high stress will make it possible to initiate the fracture wave for a low level of embrittlement of the buried fragile plane 2; a lower stress will initiate the fracture wave for a greater level of embrittlement of the buried brittle plane 2.
  • the given level of brittleness is defined by the area occupied by microcavities in the buried brittle plane 2 and can be chosen between 1% and 90%, preferably between 5% and 40%.
  • Relatively low levels of embrittlement, for example less than 25%, are favorable to a reduced surface roughness after transfer and to a good uniformity of thickness of the useful layers 3 transferred.
  • the transfer method according to the invention allows the choice of the level of embrittlement at which the fracture wave will propagate and ensures initiation of said wave at a constant level of embrittlement for all the bonded structures 5: this makes it possible to obtain properties favorable surface morphologies (low roughness, good uniformity and reproducibility from plate to plate) for the useful layers 3 transferred.
  • the predetermined stress is applied to the fragile buried plane 2 locally, by exerting a point mechanical stress on the bonded structure 5, by means of a bevel 10.
  • the bevel 10 is positioned opposite. -vis the bonding interface 7 and exerts a pressing force against chamfered edges of the donor substrates 1 and support 4 of the bonded structure 5. This has the effect of generating a tensile stress in the buried fragile plane 2.
  • the support force has a predetermined and constant amplitude.
  • the support force can be between 0.5 N and 50 N.
  • the transfer method according to the invention can be used for the manufacture of SOI substrates in which the useful layer 3 is very thin, in particular between a few nanometers and 50 nm.
  • the buried fragile plane 2 is located at a depth of approximately 290 nm, from the surface of the donor substrate 1. It delimits, with the oxide layer 6, a useful layer 3 of approximately 240 nm.
  • This mechanical stress exerted by the bevel system 10 (with or without the additional device 11) on the bonded structures 5 generates a predetermined stress, local and in tension at the level of the buried fragile plane 2.
  • the mechanical stress can be exerted from the start. annealing or after a fixed period. This determined duration is always much less than the duration necessary to reach the given level of embrittlement for which the predetermined stress will induce the initiation of the fracture wave.
  • the finishing steps applied to the transferred sets 5a include chemical cleanings and at least one high temperature smoothing heat treatment.
  • the SOI substrates comprise a useful layer 3 with a thickness of 50 nm, the non-uniformity of which is less than 2% and having a surface roughness less than 0.3 nm RMS.

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Abstract

The invention relates to a method for transferring an useful layer onto a support substrate, said method involving the following steps: a) providing a donor substrate comprising a buried fragile plane, the useful layer being delimited by a front face of the donor substrate and the buried fragile plane; b) providing a support substrate; c) joining the donor substrate by its front face to the support substrate over a bonding interface to form a bonded structure; d) annealing the bonded structure to increase the break-off level of the buried fragile plane; the transfer method being characterized in that: - a predetermined stress is applied to the buried fragile plane during the annealing step d) for a period of time, the predetermined stress being selected so as to initiate the fracture wave when a given break-off level is reached; - at the end of said period of time, when the given break-off level has been reached, the predetermined stress causes the initiation and self-propagation of the fracture wave along the buried fragile plane, leading to the transfer of the useful layer onto the support substrate.

Description

DESCRIPTION DESCRIPTION
TITRE : PROCEDE DE TRANSFERT D'UNE COUCHE UTILE SUR UN TITLE: PROCESS FOR TRANSFERRING A USEFUL LAYER ON A
SUBSTRAT SUPPORT SUBSTRATE SUPPORT
DOMAINE DE L' INVENTION FIELD OF THE INVENTION
La présente invention concerne le domaine de la microélectronique. Elle concerne en particulier un procédé de transfert d'une couche utile sur un substrat support. The present invention relates to the field of microelectronics. It relates in particular to a method of transferring a useful layer onto a support substrate.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L' INVENTION TECHNOLOGICAL BACKGROUND OF THE INVENTION
On connaît de l'état de la technique un procédé de transfert d'une couche utile 3 sur un substrat support 4, représenté sur la figure 1 ; ce procédé décrit notamment dans les documents W02005043615 et W02005043616 comprend les étapes suivantes :A method of transferring a useful layer 3 onto a support substrate 4, shown in FIG. 1, is known from the state of the art; this process described in particular in documents WO2005043615 and WO2005043616 comprises the following steps:
• la formation d'un plan fragile enterré 2 par implantation d'espèces légères dans un substrat donneur 1 de manière à former une couche utile 3 entre ce plan et une surface du substrat donneur ; • the formation of a buried fragile plane 2 by implantation of light species in a donor substrate 1 so as to form a useful layer 3 between this plane and a surface of the donor substrate;
• puis, l'assemblage du substrat donneur 1 sur un substrat support 4 pour former une structure collée 5 ; • then, the assembly of the donor substrate 1 on a support substrate 4 to form a bonded structure 5;
• l'application d'un traitement thermique à la structure collée 5 pour fragiliser le plan fragile enterré ; • the application of a heat treatment to the bonded structure 5 to weaken the fragile buried plane;
• et enfin, l'initiation d'une onde de fracture par une impulsion d'énergie appliquée au niveau du plan fragile enterré 2 et la propagation auto-entretenue de l'onde de fracture dans le substrat donneur 1, le long dudit plan fragile enterré 2. • and finally, the initiation of a fracture wave by an energy pulse applied to the level of the buried fragile plane 2 and the self-sustaining propagation of the fracture wave in the donor substrate 1, along said fragile plane buried 2.
Dans ce procédé, les espèces implantées au niveau du plan fragile enterré 2 sont à l'origine du développement de microcavités. Le traitement thermique de fragilisation a pour effet de favoriser la croissance et la mise sous pression de ces microcavités. Par l'intermédiaire d'efforts extérieurs additionnels (impulsion d'énergie), appliqués après le traitement thermique, l'initiation d'une onde de fracture dans le plan fragile enterré 2 est opérée, laquelle onde se propage de manière auto entretenue, menant au transfert de la couche utile 3 par détachement au niveau du plan fragile enterré 2. Un tel procédé, permet notamment de diminuer la rugosité de surface après transfert . In this process, the species implanted at the level of the buried fragile plane 2 are at the origin of the development of microcavities. The thermal embrittlement treatment has the effect of promoting the growth and pressurization of these microcavities. By the intermediary of additional external forces (energy pulse), applied after the heat treatment, the initiation of a fracture wave in the buried fragile plane 2 is operated, which wave propagates in a self-sustaining manner, leading the transfer of the useful layer 3 by detachment at the level of the buried fragile plane 2. Such a method makes it possible in particular to reduce the surface roughness after transfer.
Ce procédé peut être utilisé pour la fabrication de substrats de silicium sur isolant (SOI - « Silicon on insulator ») . Dans ce cas, le substrat donneur 1 et le substrat support 4 sont chacun formés d'une plaquette de silicium dont le diamètre normalisé est typiquement de 200mm, 300mm, voire même 450 mm pour les prochaines générations. L'un et/ou l'autre du substrat donneur 1 et du substrat support 4 sont oxydés en surface. This process can be used for the manufacture of silicon on insulator substrates (SOI - “Silicon on insulator”). In this case, the donor substrate 1 and the support substrate 4 are each formed from a silicon wafer, the standardized diameter of which is typically 200mm, 300mm, or even 450 mm for the next generations. One and / or the other of the donor substrate 1 and of the support substrate 4 are oxidized at the surface.
Les substrats SOI doivent respecter des spécifications très précises. C'est particulièrement le cas pour l'épaisseur moyenne et l'uniformité d'épaisseur de la couche utile 3. Le respect de ces spécifications est requis pour le bon fonctionnement des dispositifs semi-conducteurs qui seront formés dans et sur cette couche utile 3. SOI substrates must meet very precise specifications. This is particularly the case for the average thickness and the uniformity of thickness of the useful layer 3. Compliance with these specifications is required for the proper functioning of the semiconductor devices which will be formed in and on this useful layer 3. .
Dans certains cas, l'architecture de ces dispositifs semi- conducteurs nécessite de disposer de substrats SOI présentant une épaisseur moyenne de la couche utile 3 très faible, par exemple inférieure à 50 nm, et présentant une très bonne uniformité d'épaisseur de la couche utile 3. L'uniformité d'épaisseur attendue peut être de l'ordre de 5% au maximum, correspondant à des variations allant typiquement de +/- 0,3nm à +/- lnm sur toute la surface de la couche utile 3. Même si des étapes complémentaires de finition, comme des gravures ou des traitements thermiques de lissage de surface, sont réalisées après que la couche utile 3 soit transférée sur le substrat support 4, il est important que les propriétés morphologiques de surface soient les plus favorables possibles après transfert, pour garantir la tenue des spécifications finales. In certain cases, the architecture of these semiconductor devices requires the availability of SOI substrates having a very low average thickness of the useful layer 3, for example less than 50 nm, and having very good uniformity of thickness of the layer. useful 3. The expected thickness uniformity can be of the order of 5% at most, corresponding to variations typically ranging from +/- 0.3nm to +/- lnm over the entire surface of the useful layer 3. Even if additional finishing steps, such as etching or heat treatments for surface smoothing, are carried out after the useful layer 3 is transferred to the support substrate 4, it is important that the surface morphological properties are as favorable as possible after transfer, to guarantee that the final specifications are maintained.
La demanderesse a observé que les couches utiles 3 transférées selon le procédé précité, issues de structures collées préparées dans des conditions similaires et ayant subi le même traitement thermique de fragilisation, ne présentaient pas des propriétés morphologiques de surface (rugosité, uniformité d'épaisseur) reproductibles de plaque à plaque. La non-reproductibilité des propriétés morphologiques de surface des couches utiles après transfert peut impacter les rendements de production car les étapes de finition ne parviennent pas toujours à ramener la rugosité et l'uniformité d'épaisseur de toutes les couches utiles au niveau requis de spécification. The Applicant has observed that the useful layers 3 transferred according to the aforementioned method, resulting from bonded structures prepared under similar conditions and having undergone the same heat treatment of embrittlement, did not exhibit morphological surface properties (roughness, uniformity of thickness). reproducible from plate to plate. The non-reproducibility of the surface morphological properties of the useful layers after transfer can impact production yields as the finishing steps do not always succeed in bringing the roughness and uniformity of thickness of all useful layers back to the required level of specification. .
Pour limiter l'amplitude de motifs périodiques de variation d'épaisseur de la couche mince après fracture, le document EP2933828 propose de mettre en contact avec l'ensemble à fracturer, un élément absorbant pour dissiper les vibrations acoustiques émises lors de l'initiation et la propagation auto entretenue de l'onde de fracture. To limit the amplitude of periodic patterns of variation in thickness of the thin layer after fracture, document EP2933828 proposes to put in contact with the assembly to be fractured, an absorbing element to dissipate the acoustic vibrations emitted during initiation and the self-sustaining propagation of the fracture wave.
OBJET DE L' INVENTION OBJECT OF THE INVENTION
La présente invention concerne un procédé de transfert d'une couche utile sur un substrat support. Le procédé propose une solution alternative à celles de l'état de la technique, visant à obtenir une faible rugosité de surface et une bonne uniformité d'épaisseur des couches utiles après transfert et à améliorer la reproductibilité plaque à plaque des propriétés morphologiques de surface des couches utiles transférées. BREVE DESCRIPTION DE L' INVENTION The present invention relates to a method of transferring a useful layer onto a support substrate. The method proposes an alternative solution to those of the state of the art, aiming to obtain a low surface roughness and a good uniformity of thickness of the useful layers after transfer and to improve the plate-to-plate reproducibility of the surface morphological properties of the useful layers transferred. BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
L'invention concerne un procédé de transfert d'une couche utile sur un substrat support, comprenant les étapes suivantes : The invention relates to a method of transferring a useful layer onto a support substrate, comprising the following steps:
a) la fourniture d'un substrat donneur comportant un plan fragile enterré, la couche utile étant délimitée par une face avant du substrat donneur et le plan fragile enterré ; a) providing a donor substrate comprising a buried fragile plane, the useful layer being delimited by a front face of the donor substrate and the buried fragile plane;
b) la fourniture d'un substrat support ; b) providing a support substrate;
c) l'assemblage, selon une interface de collage, du substrat donneur, au niveau de sa face avant, et du substrat support, pour former une structure collée ; c) assembly, according to a bonding interface, of the donor substrate, at its front face, and of the support substrate, to form a bonded structure;
d) le recuit de la structure collée pour augmenter le niveau de fragilisation du plan fragile enterré. d) annealing of the bonded structure to increase the level of weakening of the buried fragile plane.
Le procédé de transfert est remarquable en ce que : The transfer process is remarkable in that:
- une contrainte prédéterminée est appliquée au plan fragile enterré au cours de l'étape d) de recuit, pendant une période de temps, la contrainte prédéterminée étant choisie de manière à initier l'onde de fracture lorsqu'un niveau donné de fragilisation est atteint, a predetermined stress is applied to the brittle plane buried during annealing step d), for a period of time, the predetermined stress being chosen so as to initiate the fracture wave when a given level of embrittlement is reached ,
au bout de la période de temps, le niveau donné de fragilisation étant atteint, la contrainte prédéterminée provoque l'initiation et la propagation auto-entretenue de l'onde de fracture le long dudit plan fragile enterré, menant au transfert de la couche utile sur le substrat support. at the end of the period of time, the given level of embrittlement being reached, the predetermined stress causes the initiation and self-sustaining propagation of the fracture wave along said buried brittle plane, leading to the transfer of the useful layer onto the support substrate.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou selon toutes combinaisons techniquement réalisables : - la période de temps est comprise entre 1 minute à 5 heures ; According to other advantageous and non-limiting characteristics of the invention, taken alone or in any technically feasible combinations: - the time period is between 1 minute to 5 hours;
- la période de temps est une fraction de la durée du recuit comprise entre 1% et 100% ; - the period of time is a fraction of the duration of the annealing comprised between 1% and 100%;
- le procédé de transfert est appliqué au traitement collectif d'une pluralité de structures collées, et la contrainte prédéterminée est appliquée au plan fragile enterré de chacune des structures collées, de manière à initier l'onde de fracture lorsque le niveau donné de fragilisation est atteint pour chaque structure collée ; - the transfer process is applied to the collective treatment of a plurality of bonded structures, and the predetermined stress is applied to the buried fragile plane of each of the bonded structures, so as to initiate the fracture wave when the given level of embrittlement is achieved for each bonded structure;
- le recuit de l'étape d) est réalisé dans un équipement de traitement thermique de configuration horizontale ou verticale, adapté pour le traitement collectif d'une pluralité de structures collées ; the annealing of step d) is carried out in heat treatment equipment of horizontal or vertical configuration, suitable for the collective treatment of a plurality of bonded structures;
- la contrainte prédéterminée est localement appliquée au plan fragile enterré de la structure collée au moyen d'un biseau positionné en vis-à-vis de l'interface de collage et exerçant une force d' appui contre des bords chanfreinés des substrats donneur et support de ladite structure collée, pour générer une contrainte en tension dans le plan fragile enterré ; - the predetermined stress is locally applied to the buried fragile plane of the bonded structure by means of a bevel positioned opposite the bonding interface and exerting a pressing force against chamfered edges of the donor and support substrates of said bonded structure, to generate a tensile stress in the buried brittle plane;
- la force d'appui est comprise entre 0.5 N et 50 N ; - the support force is between 0.5 N and 50 N;
- le niveau donné de fragilisation est défini par la surface occupée par des microcavités dans le plan fragile enterré et est choisi entre 1% et 90% préférentiellement entre 5% et 40% ; - le recuit de l'étape d) atteint une température maximale comprise entre 300°C et 600°C ; - the given level of embrittlement is defined by the surface occupied by microcavities in the buried fragile plane and is chosen between 1% and 90%, preferably between 5% and 40%; - The annealing of step d) reaches a maximum temperature between 300 ° C and 600 ° C;
- la contrainte prédéterminée est appliquée dès le début du recuit de l'étape d) ; the predetermined stress is applied from the start of the annealing of step d);
- le substrat donneur et le substrat support sont en silicium monocristallin, et dans lequel le plan fragile enterré est formé par implantation ionique d'espèces légères dans le substrat donneur, lesdites espèces légères étant choisies parmi l'hydrogène et l'hélium ou une combinaison d'hydrogène et d'hélium. the donor substrate and the support substrate are made of monocrystalline silicon, and in which the buried fragile plane is formed by ion implantation of light species in the donor substrate, said light species being chosen from hydrogen and helium or a combination hydrogen and helium.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée de l'invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles : Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the detailed description of the invention which will follow with reference to the appended figures in which:
La figure 1 présente un procédé de transfert d'une couche mince selon l'état de la technique ; FIG. 1 shows a method of transferring a thin film according to the state of the art;
La figure 2 présente un procédé de transfert conforme à l'invention ; FIG. 2 presents a transfer method according to the invention;
La figure 3 présente un exemple de traitement collectif d'une pluralité de structures, dans un procédé de transfert conforme à 1 ' invention . FIG. 3 shows an example of collective processing of a plurality of structures, in a transfer method according to the invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L' INVENTION Dans la partie descriptive, les mêmes références sur les figures pourront être utilisées pour des éléments de même type. Les figures sont des représentations schématiques qui, dans un objectif de lisibilité, ne sont pas à l'échelle. En particulier, les épaisseurs des couches selon l'axe z ne sont pas à l'échelle par rapport aux dimensions latérales selon les axes x et y ; et les épaisseurs relatives des couches entre elles ne sont pas nécessairement respectées sur les figures. Notons que le repère (x,y,z) de la figure 1 s'applique à la figure 2. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION In the descriptive part, the same references in the figures may be used for elements of the same type. The figures are schematic representations which, for the sake of readability, are not to scale. In particular, the thicknesses of the layers along the z axis are not to scale with respect to the lateral dimensions along the x and y axes; and the relative thicknesses of the layers between them are not necessarily respected in the figures. Note that the reference (x, y, z) of figure 1 applies to figure 2.
L'invention concerne un procédé de transfert d'une couche utile 3 sur un substrat support 4. La couche utile 3 est ainsi nommée car elle est destinée à être utilisée pour la fabrication de composants dans les domaines de la microélectronique ou des microsystèmes. La couche utile et le substrat support peuvent être de natures variées selon le type de composant et l'application visés. Le silicium étant le matériau semi- conducteur le plus utilisé actuellement, la couche utile et le substrat support peuvent en particulier être en silicium monocristallin mais ne sont bien-sûr pas limités à ce matériau. The invention relates to a method of transferring a useful layer 3 onto a support substrate 4. The useful layer 3 is so named because it is intended to be used for the manufacture of components in the fields of microelectronics or microsystems. The useful layer and the support substrate can be of various types depending on the type of component and the intended application. Since silicon is the semiconductor material most used at present, the useful layer and the support substrate can in particular be made of monocrystalline silicon but are of course not limited to this material.
Le procédé de transfert selon l'invention comprend tout d'abord une étape a) de fourniture d'un substrat donneur 1, duquel sera issu la couche utile 3. Le substrat donneur 1 comporte un plan fragile enterré 2 (figure 2 - a) ) . Ce dernier est avantageusement formé par implantation ionique d'espèces légères dans le substrat donneur 1, à une profondeur définie. Les espèces légères sont préférentiellement choisies parmi l'hydrogène et l'hélium, ou une combinaison d'hydrogène et d'hélium, car ces espèces sont favorables à la formation de microcavités autour de la profondeur définie d'implantation, donnant lieu au plan fragile enterré 2. La couche utile 3 est délimitée par une face avant la du substrat donneur 1 et le plan fragile enterré 2. Le substrat donneur 1 peut être formé par au moins un matériau choisi parmi le silicium, le germanium, le carbure de silicium, les semi-conducteurs composés IV-IV, III-V ou II-VI, les matériaux piézoélectriques (par exemple, LiNb03, LiTa03,...), etc. Il peut en outre comporter une ou plusieurs couches superficielles disposée (s) sur sa face avant la et/ou sur sa face arrière lb, de toutes natures, par exemple diélectrique ( s ) . The transfer method according to the invention first of all comprises a step a) of supplying a donor substrate 1, from which the useful layer 3 will be obtained. The donor substrate 1 comprises a buried fragile plane 2 (FIG. 2 - a). ). The latter is advantageously formed by ion implantation of light species in the donor substrate 1, at a defined depth. The light species are preferably chosen from hydrogen and helium, or a combination of hydrogen and helium, because these species are favorable to the formation of microcavities around the defined depth of implantation, giving rise to the fragile plane. buried 2. The useful layer 3 is delimited by a front face 1a of the donor substrate 1 and the buried fragile plane 2. The donor substrate 1 can be formed by at least one material chosen from among silicon, germanium, silicon carbide, compound semiconductors IV-IV, III-V or II-VI, piezoelectric materials (for example, LiNb03 , LiTa03, ...), etc. It may also include one or more surface layers arranged on its front face 1a and / or on its rear face 1b, of all kinds, for example dielectric (s).
Le procédé de transfert comprend également une étape b) de fourniture d'un substrat support 4 (figure 2 - b) ) . The transfer process also comprises a step b) of providing a support substrate 4 (FIG. 2 - b)).
Le substrat support peut par exemple être formé par au moins un matériau choisi parmi le silicium, le carbure de silicium, le verre, le saphir, le nitrure d'aluminium, ou tout autre matériau susceptible d'être disponible sous forme de substrat. Il peut également comporter une ou plusieurs couche (s) superficielle ( s ) de toutes natures, par exemple diélectrique ( s ) . The support substrate can for example be formed by at least one material chosen from among silicon, silicon carbide, glass, sapphire, aluminum nitride, or any other material capable of being available in the form of a substrate. It can also include one or more surface layer (s) of all types, for example dielectric (s).
Comme énoncé précédemment, une application intéressante du procédé de transfert selon l'invention est la fabrication de substrats SOI. Dans ce cas particulier, le substrat donneur 1 et le substrat support 4 sont en silicium monocristallin, et l'un et/ou l'autre desdits substrats comporte une couche superficielle d'oxyde de silicium 6 sur sa face avant. As stated above, an interesting application of the transfer method according to the invention is the manufacture of SOI substrates. In this particular case, the donor substrate 1 and the support substrate 4 are made of monocrystalline silicon, and one and / or the other of said substrates comprises a surface layer of silicon oxide 6 on its front face.
Le procédé de transfert comprend ensuite une étape c) d'assemblage, selon une interface de collage 7, du substrat donneur 1 au niveau de sa face avant la, et du substrat support 4, pour former une structure collée 5 (figure 2 - c) ) . The transfer method then comprises a step c) of assembling, according to a bonding interface 7, of the donor substrate 1 at its front face 1a, and of the support substrate 4, to form a bonded structure 5 (FIG. 2 - c )).
L'assemblage peut être réalisé par toute méthode connue, notamment par collage direct par adhésion moléculaire, ou par thermocompression, ou encore par collage électrostatique. Ces techniques bien connues de l'état de la technique ne seront pas décrites en détail ici. On rappelle néanmoins que, préalablement à l'assemblage, les substrats donneur 1 et support 4 auront subi des séquences de nettoyages et/ou d'activation de surface, de manière à garantir la qualité de l'interface de collage 7 en termes de défectivité et d'énergie de collage. The assembly can be carried out by any known method, in particular by direct bonding by molecular adhesion, or by thermocompression, or even by electrostatic bonding. These techniques, which are well known from the state of the art, will not be described in detail here. It is nevertheless recalled that, previously on assembly, the donor 1 and support 4 substrates will have undergone cleaning and / or surface activation sequences, so as to guarantee the quality of the bonding interface 7 in terms of defectivity and bonding energy .
Dans le procédé de transfert selon l'invention, une étape d) de recuit de la structure collée 5 est alors effectuée, pour augmenter le niveau de fragilisation du plan fragile enterré 2. La gamme de températures dans laquelle le recuit peut être opéré pour cette fragilisation du plan enterré 2 dépend essentiellement du type de structure collée 5 (homo-structure ou hétéro-structure) et de la nature du substrat donneur 1. In the transfer process according to the invention, a step d) of annealing the bonded structure 5 is then carried out, in order to increase the level of embrittlement of the buried fragile plane 2. The temperature range in which the annealing can be carried out for this weakening of the buried plane 2 depends essentially on the type of bonded structure 5 (homo-structure or hetero-structure) and on the nature of the donor substrate 1.
A titre d'exemple, dans le cas d'un substrat donneur 1 et d'un substrat support 4 en silicium, le recuit de l'étape d) atteint une température maximale typiquement comprise entre 200 °C et 600°C, avantageusement entre 300 et 500°C, et encore plus avantageusement entre 350°C et 450°C. By way of example, in the case of a donor substrate 1 and a support substrate 4 in silicon, the annealing of step d) reaches a maximum temperature typically between 200 ° C and 600 ° C, advantageously between 300 and 500 ° C, and even more preferably between 350 ° C and 450 ° C.
Le recuit peut comporter une rampe de montée en température (typiquement entre 200°C et la température maximale) et un palier à la température maximale. En général, un tel recuit va avoir une durée comprise entre quelques dizaines de minutes et plusieurs heures, en fonction de la température maximale du recuit. Le couple temps / température détermine le budget thermique appliqué à la structure collée 5 au cours du recuit. Le niveau de fragilisation du plan fragile enterré 2 est défini par la surface occupée par les microcavités présentes dans le plan fragile enterré 2. Dans le cas d'un substrat donneur 1 en silicium, la caractérisation de cette surface occupée par les microcavités peut s'effectuer par microscopie infrarouge. Annealing may include a temperature rise ramp (typically between 200 ° C. and the maximum temperature) and a plateau at the maximum temperature. In general, such an annealing will have a duration of between a few tens of minutes and several hours, depending on the maximum temperature of the annealing. The time / temperature pair determines the thermal budget applied to the bonded structure 5 during annealing. The level of embrittlement of the buried brittle plane 2 is defined by the surface occupied by the microcavities present in the buried brittle plane 2. In the case of a donor substrate 1 made of silicon, the characterization of this surface occupied by the microcavities can be perform by infrared microscopy.
Le niveau de fragilisation peut augmenter depuis un niveau faible (<1%, sous le seuil de détection des instruments de caractérisation) jusqu'à plus de 80%, en fonction du budget thermique appliqué à la structure collée 5 au cours du recuit. Le budget thermique de fragilisation est bien-sûr toujours maintenu en-deçà du budget thermique de fracture, pour lequel on obtient l'initiation spontanée de l'onde de fracture dans le plan fragile enterré 2, au cours du recuit. The level of embrittlement can increase from a low level (<1%, below the detection threshold of the characterization instruments) to more than 80%, depending on the thermal budget applied to the bonded structure 5 during annealing. The thermal embrittlement budget is of course always maintained below the thermal fracture budget, for which the spontaneous initiation of the fracture wave is obtained in the buried fragile plane 2, during annealing.
On rappelle que, dans le procédé de transfert de l'état de la technique énoncé en introduction en référence à la figure 1, la structure collée 5 est prélevée après l'étape de recuit, alors que le plan fragile enterré 2 présente un certain niveau de fragilisation. Une impulsion d'énergie est alors appliquée au plan fragile enterré 2, pour provoquer l'initiation de l'onde de fracture : en se propageant, l'onde de fracture génère le transfert de la couche utile 3 sur le substrat support 4. Comme précédemment énoncé, la demanderesse a identifié des problèmes de reproductibilité des propriétés morphologiques de surface des couches utiles 3 après transfert, alors même que les étapes du procédé étaient opérées dans des conditions identiques. It will be recalled that, in the transfer process of the state of the art stated in the introduction with reference to FIG. 1, the bonded structure 5 is removed after the annealing step, while the buried fragile plane 2 has a certain level. weakening. An energy pulse is then applied to the buried fragile plane 2, to cause the initiation of the fracture wave: by propagating, the fracture wave generates the transfer of the useful layer 3 onto the support substrate 4. As previously stated, the Applicant has identified problems of reproducibility of the surface morphological properties of the useful layers 3 after transfer, even though the process steps were carried out under identical conditions.
Ce défaut de reproductibilité est notamment lié aux variabilités des étapes d' implantation des espèces légères pour former le plan fragile enterré, et de recuit. Ces variabilités peuvent venir de non-homogénéités de dose implantée ou d'énergie d' implantation, ou encore de non-uniformités de température sur une structure ou entre plusieurs structures. L'évolution du niveau de fragilisation au cours du recuit, pour un même budget thermique, peut ainsi être différente, pour des structures collées similaires, recuites collectivement ou séparément. This lack of reproducibility is linked in particular to the variabilities of the stages of implantation of the light species to form the fragile buried plane, and of annealing. These variabilities can come from non-homogeneities of implanted dose or of implantation energy, or even from non-uniformities of temperature on a structure or between several structures. The change in the level of embrittlement during annealing, for the same thermal budget, can thus be different, for similar bonded structures, annealed collectively or separately.
Pour remédier à ce problème, le procédé de transfert selon la présente invention prévoit que, au cours de l'étape d) de recuit, une contrainte prédéterminée est appliquée au plan fragile enterré 2, pendant une période de temps (figure 2 - d) ) . Par contrainte prédéterminée, on entend une contrainte d'amplitude définie et constante. La contrainte prédéterminée peut être appliquée notamment en exerçant une sollicitation mécanique contrôlée sur le structure collée 5, comme cela sera décrit plus en détail par la suite. To remedy this problem, the transfer method according to the present invention provides that, during annealing step d), a predetermined stress is applied to the buried brittle plane 2, for a period of time (figure 2 - d). ). By predetermined stress is meant a stress of defined and constant amplitude. The predetermined stress can be applied in particular by exerting a mechanical stress checked on the bonded structure 5, as will be described in more detail below.
La contrainte prédéterminée est choisie de manière à initier une onde de fracture dont la propagation est auto-entretenue, lorsque qu'un niveau donné de fragilisation est atteint dans le plan fragile enterré 2. Une propagation auto-entretenue traduit le fait qu'une fois initiée, l'onde de fracture se propage par elle-même, sans application de contrainte additionnelle et sur toute l'étendue du plan fragile enterré 2, de manière à détacher complètement la couche utile 3 du substrat donneur 1 et à la transférer sur le substrat support 4. The predetermined stress is chosen so as to initiate a fracture wave whose propagation is self-sustaining, when a given level of embrittlement is reached in the buried fragile plane 2. A self-sustaining propagation reflects the fact that once initiated, the fracture wave propagates by itself, without application of additional stress and over the entire extent of the buried fragile plane 2, so as to completely detach the useful layer 3 from the donor substrate 1 and to transfer it to the support substrate 4.
La période de temps pendant laquelle la contrainte prédéterminée est appliquée au plan fragile enterré 2 est typiquement supérieure à 1 min. En particulier, elle est comprise entre 1 minute et 5 heures. Dit autrement, la période de temps est une fraction de la durée du recuit comprise entre 1% et 100%. The period of time during which the predetermined stress is applied to the buried brittle plane 2 is typically greater than 1 min. In particular, it is between 1 minute and 5 hours. In other words, the time period is a fraction of the annealing time between 1% and 100%.
Au bout de la période de temps, le niveau donné de fragilisation est atteint : la contrainte prédéterminée provoque alors l'initiation et la propagation auto-entretenue de l'onde de fracture le long du plan fragile enterré 2, menant au transfert de la couche utile 3 sur le substrat support 4 (figure 2 - e) ) . Dans le procédé de transfert selon l'invention, l'initiation de l'onde de fracture dans le plan fragile enterré 2 n'est pas concomitante à l'application de la contrainte prédéterminée audit plan 2. Dit autrement, la contrainte mécanique n'est pas adaptée pour provoquer l'initiation et la propagation de l'onde de fracture au moment de son application, quel que soit le niveau de fragilisation du plan fragile enterré 2. La contrainte mécanique prédéterminée selon l'invention ne permet pas l'initiation et la propagation de l'onde de fracture au moment de son application ; l'initiation de l'onde de fracture n'est provoquée par la contrainte prédéterminée qu'au moment où le plan fragile enterré atteint le niveau donné de fragilisation, au bout d'une période de temps suivant l'application de la contrainte . At the end of the period of time, the given level of embrittlement is reached: the predetermined stress then causes the initiation and self-sustaining propagation of the fracture wave along the buried brittle plane 2, leading to the transfer of the layer useful 3 on the support substrate 4 (figure 2 - e)). In the transfer method according to the invention, the initiation of the fracture wave in the buried fragile plane 2 is not concomitant with the application of the predetermined stress to said plane 2. In other words, the mechanical stress n ' is not suitable for causing the initiation and propagation of the fracture wave at the time of its application, regardless of the level of weakening of the buried fragile plane 2. The predetermined mechanical stress according to the invention does not allow initiation and the propagation of the fracture wave at the time of its application; the initiation of the fracture wave is only caused by the predetermined stress when the buried brittle plane reaches the given level of embrittlement, after a period of time following the application of the constraint.
Le fait d'appliquer ainsi une contrainte prédéterminée à la structure collée 5 lors de l'étape d) de recuit, pendant une période de temps, permet d'initier l'onde de fracture dans le plan fragile enterré 2 au moment de l'atteinte d'un niveau de fragilisation donné, constant et reproductible, quelle que soit la structure collée 5. L'onde de fracture n'est donc plus initiée à budget thermique constant (comme dans le procédé de transfert de l'état de la technique précédemment énoncé) mais à niveau constant de fragilisation du plan fragile enterré 2. Même si des variabilités dans les conditions d' implantation ou de recuit existent entre des structures collées 5 traitées dans un même lot ou dans des lots différents, la même contrainte prédéterminée appliquée au plan fragile enterré 2 de chaque structure 5 initiera l'onde de fracture pour un même niveau donné de fragilisation, à l'issue d'une période de temps propre à chaque structure 5. Cela permet de garantir une bonne reproductibilité des propriétés morphologiques de surface des couches utiles 3, lesquelles sont très dépendantes du niveau de fragilisation du plan fragile enterré 2 au moment de l'initiation et de la propagation de l'onde de fracture. The fact of thus applying a predetermined stress to the bonded structure 5 during the annealing step d), for a period of time, makes it possible to initiate the fracture wave in the buried fragile plane 2 at the time of attainment of a given, constant and reproducible level of embrittlement, regardless of the bonded structure 5. The fracture wave is therefore no longer initiated with a constant thermal budget (as in the transfer process of the state of the art previously stated) but at a constant level of embrittlement of the buried brittle plane 2. Even if variabilities in the implantation or annealing conditions exist between bonded structures 5 treated in the same batch or in different batches, the same predetermined stress applied at the buried fragile plane 2 of each structure 5 will initiate the fracture wave for the same given level of embrittlement, at the end of a period of time specific to each structure 5. This makes it possible to guarantee good reproducibility of s surface morphological properties of the useful layers 3, which are very dependent on the level of embrittlement of the buried fragile plane 2 at the time of the initiation and propagation of the fracture wave.
Selon une première variante, la contrainte prédéterminée est appliquée au plan fragile enterré 2 dès le début de l'étape d) de recuit : la période de temps (pendant laquelle la contrainte prédéterminée est appliquée au plan fragile enterré 2) s'étend donc depuis le début du recuit (ou potentiellement avant) jusqu'à ce que le niveau donné de fragilisation soit atteint, moment où l'onde de fracture est initiée. According to a first variant, the predetermined stress is applied to the buried brittle plane 2 from the start of annealing step d): the period of time (during which the predetermined stress is applied to the buried brittle plane 2) therefore extends from the start of annealing (or potentially before) until the given level of embrittlement is reached, when the fracture wave is initiated.
Selon une deuxième variante, la contrainte prédéterminée est appliquée après une durée déterminée du recuit, sans interruption dudit recuit. Cette variante peut favoriser la consolidation de l'interface de collage 7 de la structure collée 5 en début de recuit, préalablement à l'application de la contrainte prédéterminée au plan fragile enterré 2. La période de temps s'étend dans ce cas depuis un moment intermédiaire au cours du recuit jusqu'à ce que le niveau donné de fragilisation soit atteint, moment où l'onde de fracture est initiée. According to a second variant, the predetermined stress is applied after a determined period of annealing, without interrupting said annealing. This variant can promote consolidation of the bonding interface 7 of the bonded structure 5 at the start of annealing, prior to the application of the predetermined stress to the buried fragile plane 2. The period of time extends in this case from an intermediate moment during the annealing until the given level of embrittlement is reached, when the fracture wave is initiated.
Selon le procédé de l'invention, la contrainte prédéterminée est choisie en fonction du niveau de fragilisation pour lequel on souhaite que l'onde de fracture se propage. Une contrainte élevée permettra d'initier l'onde de fracture pour un niveau de fragilisation faible du plan fragile enterré 2 ; une contrainte plus faible permettra d'initier l'onde de fracture pour un niveau de fragilisation plus important du plan fragile enterré 2. Le niveau donné de fragilisation est défini par la surface occupée par des microcavités dans le plan fragile enterré 2 et peut être choisi entre 1% et 90%, préférentiellement entre 5% et 40%. Des niveaux relativement faibles de fragilisation, par exemple inférieurs à 25%, sont favorables à une rugosité de surface réduite après transfert et à une bonne uniformité d'épaisseur des couches utiles 3 transférées. According to the method of the invention, the predetermined stress is chosen as a function of the level of embrittlement for which it is desired that the fracture wave propagates. A high stress will make it possible to initiate the fracture wave for a low level of embrittlement of the buried fragile plane 2; a lower stress will initiate the fracture wave for a greater level of embrittlement of the buried brittle plane 2. The given level of brittleness is defined by the area occupied by microcavities in the buried brittle plane 2 and can be chosen between 1% and 90%, preferably between 5% and 40%. Relatively low levels of embrittlement, for example less than 25%, are favorable to a reduced surface roughness after transfer and to a good uniformity of thickness of the useful layers 3 transferred.
Avantageusement, le procédé de transfert est appliqué au traitement collectif d'une pluralité de structures collées 5, dans lequel la contrainte prédéterminée est appliquée au plan fragile enterré 2 de chacune des structures collées 5, de manière à initier l'onde de fracture lorsque le niveau donné de fragilisation est atteint pour chaque structure collée 5. Dans ce cas, le recuit de l'étape d) peut être réalisé dans un équipement de traitement thermique de configuration horizontale ou verticale, adapté pour le traitement collectif d'une pluralité de structures collées 5. Advantageously, the transfer method is applied to the collective treatment of a plurality of bonded structures 5, in which the predetermined stress is applied to the buried fragile plane 2 of each of the bonded structures 5, so as to initiate the fracture wave when the given level of embrittlement is reached for each bonded structure 5. In this case, the annealing of step d) can be carried out in a heat treatment equipment of horizontal or vertical configuration, suitable for the collective treatment of a plurality of structures. glued 5.
Compte tenu des variabilités dans les conditions d' implantation ou de recuit entre des structures collées 5, la période de temps pendant laquelle la contrainte prédéterminée est appliquée au plan fragile enterré 2 et à l'issue de laquelle l'onde de fracture sera initiée pourra être plus ou moins longue pour chacune des structures collées 5 : en effet, les plans fragiles enterrés 2 n'atteindront pas tous au même moment le niveau donné de fragilisation pour lequel la contrainte prédéterminée appliquée provoquera l'initiation. La durée du recuit est définie pour tenir compte de ces variabilités et permettre une initiation et une propagation auto-entretenue dans le plan fragile enterré 2 pour toutes les structures collées 5. Chaque structure collée 5 aura alors vu son plan fragile enterré 2 se fracturer pour le niveau donné de fragilisation, soit à niveau constant et reproductible. Taking into account the variability in implantation or annealing conditions between bonded structures 5, the time period during which the predetermined stress is applied to the buried fragile plane 2 and at the end of which the fracture wave will be initiated may be more or less long for each of the bonded structures 5: in fact, the buried fragile planes 2 will not reach not all at the same time the given level of embrittlement for which the predetermined stress applied will cause initiation. The duration of the annealing is defined to take these variabilities into account and allow initiation and self-sustaining propagation in the buried fragile plane 2 for all the bonded structures 5. Each bonded structure 5 will then have seen its buried fragile plane 2 fracture to the given level of embrittlement, ie at a constant and reproducible level.
Le procédé de transfert selon l'invention autorise le choix du niveau de fragilisation auquel l'onde de fracture va se propager et assure une initiation de ladite onde à niveau de fragilisation constant pour toutes les structures collées 5 : cela permet l'obtention de propriétés morphologiques de surfaces favorables (faible rugosité, bonne uniformité et reproductibilité de plaque à plaque) pour les couches utiles 3 transférées. The transfer method according to the invention allows the choice of the level of embrittlement at which the fracture wave will propagate and ensures initiation of said wave at a constant level of embrittlement for all the bonded structures 5: this makes it possible to obtain properties favorable surface morphologies (low roughness, good uniformity and reproducibility from plate to plate) for the useful layers 3 transferred.
Selon un mode de réalisation avantageux, la contrainte prédéterminée est appliquée au plan fragile enterré 2 de manière locale, en exerçant une sollicitation mécanique ponctuelle sur la structure collée 5, au moyen d'un biseau 10. Le biseau 10 est positionné en vis-à-vis de l'interface de collage 7 et exerce une force d' appui contre des bords chanfreinés des substrats donneur 1 et support 4 de la structure collée 5. Cela a pour effet de générer une contrainte en tension dans le plan fragile enterré 2. La force d'appui présente une amplitude prédéterminée et constante. A titre d'exemple, la force d'appui peut être comprise entre 0.5 N et 50 N. Exemple d'application : According to an advantageous embodiment, the predetermined stress is applied to the fragile buried plane 2 locally, by exerting a point mechanical stress on the bonded structure 5, by means of a bevel 10. The bevel 10 is positioned opposite. -vis the bonding interface 7 and exerts a pressing force against chamfered edges of the donor substrates 1 and support 4 of the bonded structure 5. This has the effect of generating a tensile stress in the buried fragile plane 2. The support force has a predetermined and constant amplitude. By way of example, the support force can be between 0.5 N and 50 N. Example of application:
Le procédé de transfert selon l'invention peut être utilisé pour la fabrication de substrats SOI dont la couche utile 3 est très mince, en particulier comprise entre quelques nanomètres et 50nm. The transfer method according to the invention can be used for the manufacture of SOI substrates in which the useful layer 3 is very thin, in particular between a few nanometers and 50 nm.
Prenons l'exemple de substrats donneur 1 et support 4 en silicium monocristallin, se présentant chacun sous forme de plaquette de 300mm de diamètre. Le substrat donneur 1 est recouvert d'une couche d'oxyde de silicium de 50nm d'épaisseur. Le plan fragile enterré 2 est formé dans le substrat donneur 1 par co implantation d'ions d'hydrogène et d'hélium dans les conditions suivantes : Let us take the example of donor 1 and support 4 substrates in monocrystalline silicon, each in the form of a wafer 300 mm in diameter. The donor substrate 1 is covered with a layer of silicon oxide 50 nm thick. The buried fragile plane 2 is formed in the donor substrate 1 by co-implantation of hydrogen and helium ions under the following conditions:
• H : énergie d'implantation 38 keV, dose 1E16 H/cm2 • H: implantation energy 38 keV, dose 1E16 H / cm2
• He : énergie d'implantation 25 keV, dose 1E16 He/cm2.• He: implantation energy 25 keV, dose 1E16 He / cm2.
Le plan fragile enterré 2 se situe à une profondeur d'environ 290 nm, à partir de la surface du substrat donneur 1. Il délimite, avec la couche d'oxyde 6, une couche utile 3 d'environ 240 nm. The buried fragile plane 2 is located at a depth of approximately 290 nm, from the surface of the donor substrate 1. It delimits, with the oxide layer 6, a useful layer 3 of approximately 240 nm.
L'assemblage du substrat donneur 1 et du substrat support 4 est fait par collage direct par adhésion moléculaire, pour former la structure collée 5. Préalablement à l'assemblage, les substrats donneur 1 et support 4 auront subi des séquences de nettoyages et/ou d'activation de surface connues, de manière à garantir la qualité de l'interface de collage 7 en termes de défectivité et d'énergie de collage. The assembly of the donor substrate 1 and the support substrate 4 is made by direct bonding by molecular adhesion, to form the bonded structure 5. Prior to assembly, the donor 1 and support 4 substrates will have undergone cleaning and / or sequences. known surface activation, so as to guarantee the quality of the bonding interface 7 in terms of defectivity and bonding energy.
Un four 20 de configuration horizontale est utilisé pour réaliser collectivement le recuit d'une pluralité de structures collées 5 telles que celle décrite ci-dessus. Ce type d'équipement de traitement thermique 20 comprend une pelle de chargement 21 qui supporte des nacelles 22 dans lesquelles sont positionnées les structures collées 5 (figure 3) . La pelle de chargement 21 se déplace entre une position rentrée, dans laquelle les structures collées 5 sont à l'intérieur du four 20 et une position sortie, dans laquelle elles sont à l'extérieur du four 20. A furnace 20 of horizontal configuration is used to collectively perform the annealing of a plurality of bonded structures such as that described above. This type of heat treatment equipment 20 comprises a loading shovel 21 which supports nacelles 22 in which the bonded structures 5 are positioned (FIG. 3). The loading shovel 21 is moves between a retracted position, in which the bonded structures 5 are inside the oven 20, and an extended position, in which they are outside the oven 20.
Un système de biseaux 10 est positionné sur chaque nacelle 22, en dessous ou au-dessus des structures collées 5, de manière à exercer une force d' appui ponctuelle constante contre les bords chanfreinés des substrats assemblés de chaque structure colléeA system of bevels 10 is positioned on each nacelle 22, below or above the bonded structures 5, so as to exert a constant point pressing force against the chamfered edges of the assembled substrates of each bonded structure.
5. 5.
Notons que dans le cas où le biseau 10 est situé en dessous des structures collées 5, le poids de chaque structure collée pourra constituer ladite force d'appui. Alternativement, un dispositif additionnel 11 peut être prévu pour appliquer une force d'appui supplémentaire, localement en bord et au-dessus des structures collées 5. Note that in the case where the bevel 10 is located below the bonded structures 5, the weight of each bonded structure may constitute said support force. Alternatively, an additional device 11 can be provided to apply an additional support force, locally at the edge and above the bonded structures 5.
Cette sollicitation mécanique exercée par le système de biseau 10 (avec ou sans le dispositif additionnel 11) sur les structures collées 5 génère une contrainte prédéterminée, locale et en tension au niveau du plan fragile enterré 2. La sollicitation mécanique peut être exercée dès le début du recuit ou après une durée déterminée. Cette durée déterminée est toujours bien inférieure à la durée nécessaire pour atteindre le niveau donné de fragilisation pour lequel la contrainte prédéterminée induira l'initiation de l'onde de fracture. This mechanical stress exerted by the bevel system 10 (with or without the additional device 11) on the bonded structures 5 generates a predetermined stress, local and in tension at the level of the buried fragile plane 2. The mechanical stress can be exerted from the start. annealing or after a fixed period. This determined duration is always much less than the duration necessary to reach the given level of embrittlement for which the predetermined stress will induce the initiation of the fracture wave.
Pour un recuit dont la température maximale est 350°C, une fracture spontanée survient en moyenne au bout de 200min. For an annealing with a maximum temperature of 350 ° C, a spontaneous fracture occurs on average after 200 min.
Lorsqu'un poids de 500g (correspondant à une force d'appui d'environ 5N) est appliqué via le dispositif additionnel 11 sur chacune des structures collées 5, l'initiation de l'onde de fracture intervient en moyenne au bout de 160min, pour un niveau de fragilisation de l'ordre de 16%. When a weight of 500g (corresponding to a support force of about 5N) is applied via the additional device 11 to each of the bonded structures 5, the initiation of the fracture wave takes place on average after 160min, for a level of embrittlement of around 16%.
Lorsqu'un poids de 1500g (correspondant à une force d'appui d'environ 15N) est appliqué via le dispositif additionnel 11 sur chacune des structures collées 5, l'initiation de l'onde de fracture intervient en moyenne au bout de 110min, pour un niveau de fragilisation de l'ordre de 12%. When a weight of 1500g (corresponding to a support force of about 15N) is applied via the additional device 11 to each of the bonded structures 5, the initiation of the wave of fracture occurs on average after 110min, for a level of embrittlement of around 12%.
Suite à la propagation auto-entretenue de l'onde de fracture dans chacune des structures collées 5, on obtient le substrat SOI après transfert (ensemble transféré 5a) et le reste 5b du substrat donneur. Following the self-sustaining propagation of the fracture wave in each of the bonded structures 5, the SOI substrate is obtained after transfer (transferred assembly 5a) and the remainder 5b of the donor substrate.
Pour les deux exemples précités d'initiation de l'onde de fracture à maturité constante, on obtient des propriétés morphologiques de surfaces des couches utiles 3 transférées très favorables (faible rugosité, bonne uniformité) et reproductibles de plaque à plaque. For the two aforementioned examples of initiation of the fracture wave at constant maturity, morphological properties of the surfaces of the useful layers 3 transferred are obtained which are very favorable (low roughness, good uniformity) and which are reproducible from plate to plate.
Les étapes de finition appliquées aux ensembles transférés 5a comprennent des nettoyages chimiques et au moins un traitement thermique de lissage à haute température. A l'issue de ces étapes, les substrats SOI comportent une couche utile 3 d'épaisseur 50nm, dont la non-uniformité est inférieure à 2% et présentant une rugosité de surface inférieure à 0,3nm RMS . The finishing steps applied to the transferred sets 5a include chemical cleanings and at least one high temperature smoothing heat treatment. At the end of these steps, the SOI substrates comprise a useful layer 3 with a thickness of 50 nm, the non-uniformity of which is less than 2% and having a surface roughness less than 0.3 nm RMS.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de mise en œuvre et exemples décrits, et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications. Of course, the invention is not limited to the embodiments and examples described, and variant embodiments can be provided without departing from the scope of the invention as defined by the claims.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de transfert d'une couche utile (3) sur un substrat support (4), comprenant les étapes suivantes : 1. A method of transferring a useful layer (3) onto a support substrate (4), comprising the following steps:
a) la fourniture d'un substrat donneur (1) comportant un plan fragile enterré (2), la couche utile (3) étant délimitée par une face avant (la) du substrat donneur (1) et le plan fragile enterré (2); a) the provision of a donor substrate (1) comprising a buried fragile plane (2), the useful layer (3) being delimited by a front face (la) of the donor substrate (1) and the buried fragile plane (2) ;
b) la fourniture d'un substrat support (4) ; b) providing a support substrate (4);
c) l'assemblage, selon une interface de collage (7), du substrat donneur (1), au niveau de sa face avant (la), et du substrat support (4), pour former une structure collée (5) ; c) the assembly, according to a bonding interface (7), of the donor substrate (1), at its front face (la), and of the support substrate (4), to form a bonded structure (5);
d) le recuit de la structure collée (5) pour augmenter le niveau de fragilisation du plan fragile enterré (2) ; d) annealing of the bonded structure (5) to increase the level of embrittlement of the buried fragile plane (2);
Le procédé de transfert étant caractérisé en ce que : The transfer process being characterized in that:
une contrainte prédéterminée est appliquée au plan fragile enterré (2) au cours de l'étape d) de recuit, pendant une période de temps, la contrainte prédéterminée étant choisie de manière à initier l'onde de fracture lorsqu'un niveau donné de fragilisation est atteint, - au bout de la période de temps, le niveau donné de fragilisation étant atteint, la contrainte prédéterminée provoque l'initiation et la propagation auto-entretenue de l'onde de fracture le long dudit plan fragile enterré (2), menant au transfert de la couche utile (3) sur le substrat support ( 4 ) . a predetermined stress is applied to the buried brittle plane (2) during annealing step d), for a period of time, the predetermined stress being chosen so as to initiate the fracture wave when a given level of embrittlement is reached, - at the end of the time period, the given level of embrittlement being reached, the predetermined stress causes the initiation and the self-sustaining propagation of the fracture wave along said buried fragile plane (2), leading the transfer of the useful layer (3) on the support substrate (4).
2. Procédé de transfert selon la revendication précédente, dans lequel la période de temps est comprise entre 1 minute à 5 heures. 2. Transfer method according to the preceding claim, wherein the period of time is between 1 minute to 5 hours.
3. Procédé de transfert selon la revendication 1, dans lequel la période de temps est une fraction de la durée du recuit comprise entre 1% et 100%. 3. The transfer method according to claim 1, wherein the period of time is a fraction of the duration of the annealing comprised between 1% and 100%.
4. Procédé de transfert selon l'une des revendications précédentes, appliqué au traitement collectif d'une pluralité de structures collées (5) , dans lequel la contrainte prédéterminée est appliquée au plan fragile enterré (2) de chacune des structures collées (5), de manière à initier l'onde de fracture lorsque le niveau donné de fragilisation est atteint pour chaque structure collée (5) . 4. Transfer method according to one of the preceding claims, applied to the collective treatment of a plurality of bonded structures (5), wherein the predetermined stress is applied to the buried fragile plane (2) of each of the bonded structures (5). , so as to initiate the fracture wave when the given level of embrittlement is reached for each bonded structure (5).
5. Procédé de transfert selon la revendication précédente, dans lequel le recuit de l'étape d) est réalisé dans un équipement de traitement thermique (20) de configuration horizontale ou verticale, adapté pour le traitement collectif d'une pluralité de structures collées (5). 5. Transfer method according to the preceding claim, wherein the annealing of step d) is carried out in a heat treatment equipment (20) of horizontal or vertical configuration, suitable for the collective treatment of a plurality of bonded structures ( 5).
6. Procédé de transfert selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la contrainte prédéterminée est localement appliquée au plan fragile enterré (2) de la structure collée (5) au moyen d'un biseau (10) positionné en vis-à-vis de l'interface de collage (7) et exerçant une force d' appui contre des bords chanfreinés des substrats donneur (1) et support (4) de ladite structure collée (5), pour générer une contrainte en tension dans le plan fragile enterré (2 ) . 6. Transfer method according to one of the preceding claims, wherein the predetermined stress is locally applied to the buried fragile plane (2) of the bonded structure (5) by means of a bevel (10) positioned vis-à-vis. screw of the bonding interface (7) and exerting a bearing force against chamfered edges of the donor (1) and support (4) substrates of said bonded structure (5), to generate a tensile stress in the brittle plane buried (2).
7. Procédé de transfert selon la revendication précédente, dans lequel la force d'appui est comprise entre 0.5 N et 507. Transfer method according to the preceding claim, wherein the support force is between 0.5 N and 50
N. NOT.
8. Procédé de transfert selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le niveau donné de fragilisation est défini par la surface occupée par des microcavités dans le plan fragile enterré (2) et est choisi entre 1% et 90% préférentiellement entre 5% et 40%. 8. Transfer method according to one of the preceding claims, wherein the given level of embrittlement is defined by the area occupied by microcavities in the buried fragile plane (2) and is chosen between 1% and 90%, preferably between 5%. and 40%.
9. Procédé de transfert selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le recuit de l'étape d) atteint une température maximale comprise entre 300°C et 600°C. 9. Transfer method according to one of the preceding claims, wherein the annealing of step d) reaches a maximum temperature between 300 ° C and 600 ° C.
10. Procédé de transfert selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la contrainte prédéterminée est appliquée dès le début du recuit de l'étape d) . 10. Transfer method according to one of the preceding claims, in which the predetermined stress is applied from the start of the annealing of step d).
11. Procédé de transfert selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le substrat donneur (1) et le substrat support (4) sont en silicium monocristallin, et dans lequel le plan fragile enterré (2) est formé par implantation ionique d'espèces légères dans le substrat donneur, lesdites espèces légères étant choisies parmi l'hydrogène et l'hélium ou une combinaison d'hydrogène et d' hélium. 11. Transfer method according to one of the preceding claims, wherein the donor substrate (1) and the support substrate (4) are monocrystalline silicon, and wherein the buried brittle plane (2) is formed by ion implantation of light species in the donor substrate, said light species being selected from hydrogen and helium or a combination of hydrogen and helium.
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