FR2860340A1 - Collage indirect avec disparition de la couche de collage - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de réalisation d'une structure comprenant une couche mince (2") en matériau semi-conducteur sur un substrat support (20), ladite couche mince (2") étant obtenue à partir d'un substrat donneur (10) comprenant une couche supérieure (2) en matériau semi-conducteur, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de :• formation sur ladite couche supérieure (2) d'une couche de collage (3) en un matériau acceptant la diffusion d'un élément du matériau de la couche supérieure (2) ;• collage du substrat donneur (10), du côté de la couche de collage (3) formée sur la couche supérieure (2), avec le substrat support (20) ;• diffusion dudit élément de la couche supérieure dans la couche de collage de manière à homogénéiser la concentration dudit élément dans la couche de collage et ladite couche supérieure, pour constituer ladite couche mince (2") de la structure avec ladite couche de collage et ladite couche supérieure.

Description

Le domaine d'application de l'invention est celui des procédés de
réalisation de structures semi-conducteur sur isolant (encore appelées structures SeOl selon l'acronyme de l'expression anglo-saxonne Semiconductor On Insulator), ces structures SeOI servant de substrats pour
l'électronique, l'optique et l'optoélectronique.
Une application non limitative de l'invention concerne la réalisation d'une structure SeOl par collage indirect d'une couche de matériau semiconducteur sur une couche d'oxyde thermique présente en surface d'un substrat support.
lo Comme cela sera précisé ci-dessous, on entend par collage indirect un collage mettant en oeuvre une couche de collage intercalée entre deux couches de matériaux que l'on désire coller ensemble.
L'utilisation d'une couche de collage est particulièrement intéressante lorsque le collage de certains matériaux semi-conducteurs directement sur une couche (par exemple d'oxyde) est difficilement réalisable.
Une telle difficulté est en particulier observée lorsque, pour réaliser une structure silicium-germanium sur isolant (structure SGOI selon l'acronyme de l'expression anglo-saxonne Silicium-Germanium On Insulator), on souhaite coller une couche de silicium-germanium SiGe directement sur une couche d'oxyde en surface d'un substrat support.
On notera que cette difficulté est d'autant plus importante que la concentration en germanium dans la couche de SiGe est forte.
Afin de réaliser le collage direct d'une couche de SiGe sur un substrat support, des procédés visant à traiter, avant collage, les surfaces à coller ont été proposés.
On peut citer par exemple un procédé dit de collage hydrophobe selon lequel les surfaces à coller sont préparées (par exemple en les plongeant dans un bain chimique de nettoyage HF), préalablement à leur collage, de manière à les rendre hydrophobes.
Cette préparation a cependant tendance à engendrer une forte contamination particulaire des surfaces, ce qui a en particulier pour conséquence de générer des défauts lors du collage.
Un procédé de collage hydrophile a également été proposé, selon lequel la surface de la couche de SiGe à coller est traitée de manière à la rendre hydrophile, avant de la mettre en contact soit avec une surface de silicium hydrophile, soit avec une surface d'oxyde de silicium SiO2.
Un des traitements les plus connus pour rendre une couche hydrophile consiste à plonger cette couche dans une solution chimique de io type SC1 (NH4OH/H2O2/H2O).
Cependant, une telle solution grave la couche de SiGe, ce qui a tendance à augmente sa rugosité. Ceci se traduit par une qualité de collage qui peut ne pas être satisfaisante.
On précise que la vitesse de gravure varie exponentiellement en fonction de la concentration en germanium dans la couche de SiGe.
De telle sorte, alors que la gravure d'une couche de SiGe comprenant une faible concentration de germanium (20% par exemple) peut être maîtrisée (et donc un collage envisagé), la gravure d'une couche de SiGe comprenant une forte concentration de germanium (50% par exemple) est difficilement maîtrisable.
Finalement, si le collage hydrophile d'une couche de SiGe comprenant une faible concentration de germanium (20% par exemple) peut être réalisé de manière relativement satisfaisante, le collage hydrophile d'une couche de SiGe comprenant une forte concentration de germanium (50% par exemple) ne peut être réalisé de manière satisfaisante.
En définitive, les procédés de traitement de surface pour le collage direct d'une couche de SiGe sur un substrat support en Si ou SiO2 présentent des inconvénients tels que la qualité du collage n'est généralement pas acceptable vis-à-vis des spécifications en vigueur dans les domaines d'application de l'invention.
En outre, un collage de bonne qualité est d'autant plus difficile à réaliser que la concentration en germanium de la couche de SiGe à transférer est importante.
On précise que les inconvénients du collage direct mentionnés ci- dessus à propos du collage d'une couche de SiGe peuvent également être rencontrés dans le cadre du collage direct de couches réalisées dans d'autres matériaux.
II semble donc particulièrement intéressant de recouvrir une couche que l'on ne sait pas coller directement sur la surface d'un substrat support io (par exemple une couche de Ge) d'une couche, dite couche de collage (par exemple une couche d'oxyde ou une couche de silicium) que l'on sait coller directement sur la surface du substrat support.
Ainsi, lorsque la couche de collage est mise en contact avec la surface du substrat support, on bénéficie des propriétés de collage de la couche de collage, et un collage de bonne qualité peut être réalisé.
On parlera ainsi dans le cadre du collage par l'intermédiaire d'une couche de collage, de collage indirect, par opposition aux procédés de collage direct mentionnés ci-dessus.
Afin de réaliser un collage indirect, on peut ainsi utiliser par exemple 20 les bonnes propriétés de collage: É d'une couche de silicium sur une couche d'oxyde SiO2 en surface d'un substrat support; É d'une couche d'oxyde sur - une couche d'oxyde SiO2 en surface d'un substrat support, ou 25 - un substrat support en silicium.
Revenant à l'exemple du collage indirect d'une couche de SiGe sur un substrat support dont la surface peut être par exemple en Si ou en SiO2, on pourrait ainsi envisager, selon une première technique, de créer une couche d'oxyde directement sur une couche de SiGe par oxydation de ladite couche de SiGe.
Cependant, lors de l'oxydation d'une couche de SiGe, le germanium présent dans cette couche est repoussé dans les régions de celle-ci qui sont éloignées de la couche d'oxyde en formation. On observe ainsi une ségrégation du germanium à l'interface SiGe/oxyde.
Il se forme finalement, à l'opposé de l'oxyde, une zone où la concentration globale de germanium augmente. Et la concentration en germanium n'est donc plus uniforme à travers la couche de SiGe.
Si ce phénomène de ségrégation du germanium peut être minimisé, notamment en réalisant l'oxydation à basse température, l'oxyde ainsi formé lo est instable en température.
Cette première technique ne peut donc être retenue pour la formation d'une structure SGOI de bonne qualité.
Au lieu de recourir à l'oxydation d'une couche de SiGe pour l'obtention d'une couche de collage, un autre procédé connu de collage indirect consiste à déposer directement une couche d'oxyde sur une couche de SiGe. La couche d'oxyde ainsi déposée doit ensuite être polie, avant de pouvoir réaliser le collage sur un substrat support de silicium.
Mais la couche d'oxyde déposée sur la couche de SiGe constitue alors la couche d'oxyde enterrée de la structure SGOI obtenue, ce qui présente des inconvénients.
En effet, la densité de cette couche d'oxyde, ainsi que ses performances électriques, peuvent se révéler insuffisantes (notamment en comparaison de la densité et des performances d'un oxyde thermique) pour pouvoir réaliser une interface oxyde/semi-conducteur appropriée aux spécifications en vigueur dans l'industrie du semi-conducteur.
D'autre part, l'utilisation d'un oxyde déposé peut, d'une manière générale, conduire à une mauvaise homogénéité d'épaisseur de la couche d'oxyde enterrée de la structure SGOI.
Et ces inhomogénéités peuvent se révéler incompatibles avec l'utilisation prévue des structures SeOl dans l'industrie du semi-conducteur.
En outre le dépôt de cette couche d'oxyde peut occasionner des contaminations susceptibles d'engendrer des défauts électriques.
Une autre technique pour le collage indirect d'une couche consiste à épitaxier une couche de silicium contraint en surface d'une couche de SiGe.
Cette couche de silicium est ensuite totalement oxydée afin de lui substituer une couche d'oxyde de silicium SiO2 et de réaliser ainsi un collage oxyde/oxyde avec un substrat support en silicium oxydé.
L'oxydation totale de la couche de silicium épitaxiée sur la couche de SiGe entraîne effectivement la formation d'une couche d'oxyde en surface lo de la structure à coller.
Cependant, l'arrêt du front d'oxydation de cette couche de Si épitaxiée, exactement à l'interface entre la couche de silicium épitaxiée et la couche de SiGe, est très délicat à réaliser.
Le front d'oxydation est ainsi généralement arrêté après l'interface Si/Site (on parle alors de suroxydation).
Dans un tel cas, du SiGe est oxydé et de l'oxyde composite SiyGetO2 (y et t représentant les concentrations respectives en silicium et en germanium dans cet oxyde composite) est alors formé.
L'interface oxyde/SiGe est alors susceptible de constituer un piège électrique pour les porteurs de charge. Sa qualité n'est finalement pas satisfaisante.
Finalement, si une telle technique permet de réaliser un collage oxyde/oxyde bien maîtrisé, les effets du contrôle délicat du front d'oxydation (en particulier une interface oxyde/SiGe de mauvaise qualité en cas de suroxydation) sont non désirables.
Un but de l'invention est l'obtention de structures SeOI en s'affranchissant des limitations exposées précédemment.
Plus spécifiquement, selon un aspect particulier, un but de l'invention est de permettre le collage indirect d'une couche de matériau semi- 3o conducteur sur un substrat support, par l'intermédiaire d'une couche de collage dont le collage sur le substrat support est bien maîtrisé, et cela sans recourir à une oxydation totale de la couche de collage qui soulève le problème de l'arrêt du front d'oxydation.
A cet effet, l'invention propose un procédé de réalisation d'une structure comprenant une couche mince en matériau semi-conducteur sur un substrat support, ladite couche mince étant obtenue à partir d'un substrat donneur comprenant une couche supérieure en matériau semi- conducteur, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à : É formation sur ladite couche supérieure d'une couche de collage en un matériau acceptant la diffusion d'un élément du matériau de la io couche supérieure; É collage du substrat donneur, du côté de la couche de collage formée sur la couche supérieure, avec le substrat support; É diffusion dudit élément de la couche supérieure dans la couche de collage de manière à homogénéiser la concentration dudit élément dans la couche de collage et ladite couche supérieure, pour constituer ladite couche mince de la structure avec ladite couche de collage et ladite couche supérieure.
Des aspects préférés, mais non limitatifs du procédé selon le premier aspect de l'invention sont les suivants: - lors de l'étape de diffusion, la couche de collage disparaît en se confondant avec la couche supérieure pour former la couche mince de la structure; - suite au collage et préalablement à la diffusion, le procédé peut comprendre une étape d'amincissement visant à enlever une partie du substrat donneur pour ne conserver qu'une partie de sa couche supérieure, de manière à obtenir une structure intermédiaire comprenant le substrat support, la couche de collage et une couche mince formée par le reste de la couche supérieure; l'amincissement peut être réalisé par détachement du substrat donneur au niveau d'une zone de fragilisation formée préalablement au collage dans l'épaisseur de ladite couche supérieure; - la zone de fragilisation peut être formée par implantation d'espèces dans la couche supérieure; - une couche de protection peut être déposée sur la couche de collage avant l'implantation, cette couche de protection étant retirée avant le collage; - l'étape d'amincissement peut comprendre au moins une gravure; l'étape de diffusion peut être réalisée par application d'un traitement thermique à la structure intermédiaire obtenue après amincissement; - l'étape de diffusion peut être réalisée lors d'un traitement thermique de io stabilisation de l'interface de collage de la structure obtenue après amincissement; - le traitement thermique peut être réalisé entre 1000 c et 1100 C pendant deux heures environ; - la couche supérieure étant en SiGe, l'étape de diffusion consiste à faire diffuser l'élément Ge de ladite couche supérieure dans la couche de collage; - l'étape de dépôt de la couche de collage peut comprendre le dépôt d'un film de silicium Si contraint sur ladite couche supérieure en SiGe; - le dépôt d'un film de silicium contraint peut être réalisé par croissance épitaxiale; l'épaisseur du film de Si contraint épitaxié est préférablement d'environ 5 nm; - le collage peut être réalisé sur un substrat support oxydé de sorte qu'un collage Si/oxyde bien maîtrisé est réalisé ; - suite à la formation du film de Si monocristallin contraint et préalablement au collage, une étape d'oxydation thermique partielle peut être réalisée, de manière à former une couche d'oxyde thermique en surface dudit film de Si contraint; - le collage peut être réalisé directement sur un substrat support oxydé de sorte qu'un collage oxyde/oxyde bien maîtrisé est réalisé ; - le collage peut également être réalisé directement sur un substrat support en silicium de sorte qu'un collage oxyde/Si bien maîtrisé est réalisé ; - l'étape de formation de la couche de collage peut également comprendre la formation, sur ladite couche supérieure en SiGe, d'un film de SiGe présentant une concentration en germanium telle que le collage direct dudit film de SiGe sur une couche d'oxyde est réalisable; - la concentration en germanium dudit film de SiGe est par exemple inférieure à 20% ; io - le collage peut être réalisé directement sur un substrat support oxydé de sorte qu'un collage SiGe/oxyde bien maîtrisé est réalisé ; - préalablement au collage, une étape de traitement des surfaces à coller peut être réalisé de manière à réaliser un collage hydrophile desdites surfaces entre elles; - au cours de l'étape de diffusion, l'élément Ge diffuse dans la couche de collage (ou tout du moins dans la partie non-oxydée de la couche de collage lorsqu'une étape d'oxydation partielle de ladite couche de collage a été réalisée préalablement au collage) de sorte qu'une couche de concentration homogène en Ge est obtenue par assimilation de ladite couche de collage avec ladite couche supérieure en SiGe.
Selon un aspect plus général, l'invention concerne également un procédé de collage entre elles d'une première et d'une seconde plaquettes en matériaux semi-conducteurs, la première plaquette comprenant une couche supérieure et la seconde plaquette comprenant une face libre, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de: É formation, sur la couche supérieure de la première plaquette, d'une couche de collage en un matériau acceptant la diffusion d'un élément du matériau de ladite couche supérieure; É collage de la première plaquette, du côté de la couche de collage formée sur la couche supérieure, avec la face libre de la seconde plaquette; É diffusion dudit élément de la couche supérieure dans la couche de collage de manière à homogénéiser la concentration dudit élément dans la couche de collage et ladite couche supérieure, ladite couche de collage disparaissant en se confondant avec ladite couche supérieure de sorte que lesdites plaquettes sont collées entre elles, la couche supérieure de la première plaquette étant liée avec la face libre de la seconde plaquette.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au lo regard des figures annexées, données à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquelles: la figure 1 (figures la à le) représente de manière schématique les différentes étapes du procédé selon l'invention; les figures 2a à 2f représentent une mise en oeuvre du procédé selon l'invention, dans le cadre d'un procédé de transfert de type SMARTCUT , pour le collage indirect d'une couche de SiGe relaxé sur un substrat support en silicium oxydé et l'obtention d'une structure SGOI.
L'invention concerne de manière générale le collage, sur un substrat support, d'une couche supérieure formée sur un substrat donneur.
L'invention concerne plus particulièrement une couche supérieure en un matériau tel que son collage sur le substrat support ne peut être réalisé directement.
Le collage est alors réalisé indirectement par l'intermédiaire d'une 25 couche de collage que l'on forme sur la couche supérieure.
D'une manière générale, la couche de collage utilisée dans le cadre de l'invention est une couche de matériau: - dont on maîtrise le collage sur le substrat support; - et qui accepte la diffusion d'un élément du matériau composant 30 la couche supérieure.
2860340 ro Les figures la à le représentent de manière schématique les différentes étapes du procédé selon l'invention.
En référence à la figure la, on utilise un substrat donneur 10 comportant une couche supérieure 1 et une couche supérieure 2.
Cette couche supérieure 2 est typiquement en un matériau semi-conducteur que l'on ne sait pas coller directement de manière satisfaisante sur la surface libre 4 d'un substrat support 20 (également représenté sur cette figure la).
En référence à la figure lb, le procédé selon l'invention comporte une io étape de formation, sur la couche supérieure 2 du substrat donneur 10, d'une couche de collage 3 présentant les caractéristiques mentionnées cidessus.
En référence à la figure 1c, le procédé selon l'invention comporte une étape de collage de la structure comportant le substrat donneur 10 et la couche de collage 3 sur le substrat support 20, la couche de collage 3 étant mise en contact intime avec la face libre 4 dudit substrat support 20.
Bien entendu, on peut réaliser, préalablement au collage, un traitement (par exemple un traitement hydrophile) des surfaces à coller ensemble (couche de collage 3 et face libre 4) de manière à assurer en particulier une bonne adhérence de collage.
En référence aux figures 1c et 1d, le procédé selon l'invention peut comporter une étape d'amincissement visant à enlever une partie du substrat donneur 10 pour ne conserver qu'une partie de sa couche supérieure 2, et obtenir ainsi une structure intermédiaire comprenant le reste de la couche supérieure (c'est-à-dire une couche 2' dans le même matériau que la couche supérieure 2), la couche de collage 3 et le substrat support 20.
Enfin, le procédé selon l'invention comporte une étape visant à faire diffuser dans la couche de collage 3 un élément du matériau de la couche 2' 30 de manière à faire disparaître ladite couche de collage 3 en l'assimilant à ladite couche mince.
2860340 Il Une couche mince 2" homogène est ainsi formée en surface du substrat support 20.
On précise que le matériau de ladite couche mince 2" est issu des matériaux de la couche 2' et de la couche de collage 3.
Plus précisément, du fait de la diffusion qui a été réalisée entre le matériau de la couche 2' et celui de la couche de collage 3, ces deux couches constituent une unique couche mince 2" dont le matériau est homogène.
On reviendra sur cet aspect à propos d'un exemple de mise en io oeuvre de l'invention.
On précise ici que pour réaliser la disparition de la couche de collage 3 dans la couche 2' pour former la couche mince 2", on adapte l'épaisseur de cette couche de collage 3 pour qu'elle soit suffisamment réduite à cet effet.
On obtient finalement une structure comprenant la couche mince 2" sur le substrat donneur 20.
Et le matériau de la couche mince 2" présente des caractéristiques proches de celles du matériau de la couche supérieure 2 du substrat donneur 10 de départ.
La couche de collage 3 utilisée a disparu, si bien qu'elle n'apparaît plus dans la structure finale.
Une application non limitative de l'invention concerne le collage de toute structure comprenant une couche supérieure en SiGe sur un substrat support (par exemple en silicium).
Une structure comprenant une couche supérieure en SiGe peut comprendre une couche supérieure de SiGe contraint.
Dans ce cas, on utilisera par exemple un substrat donneur comprenant une tranche de silicium monocristallin et une couche supérieure de SiGe, ladite couche supérieure de SiGe étant contrainte par la tranche de Si sous-jacente. On notera que dans un tel cas, une couche de collage en Si formée sur ladite couche supérieure de SiGe contrainte dispose du même paramètre de maille que la tranche de Si et n'est donc, pas contrainte.
Une structure comprenant une couche supérieure en SiGe peut également comprendre une couche supérieure de SiGe relaxé.
Dans ce cas, on utilisera par exemple un substrat donneur comprenant une tranche de silicium monocristallin sur laquelle ladite couche supérieure de SiGe relaxé est réalisée par l'intermédiaire d'une couche tampon dans laquelle le paramètre de maille évolue, et cela malgré la différence de paramètre de maille existant entre ces deux matériaux Si et SiGe.
La couche tampon intercalée entre la tranche de Si et la couche de SiGe relaxé est généralement en SiGe, avec une proportion en quantité de germanium croissant progressivement en épaisseur de la tranche de Si vers la couche supérieure de SiGe relaxé.
Un autre exemple de structure concerne une structure comprenant une couche de SiGe sur laquelle on a fait croître un film de Si, une couche relativement fine de SiGe étant finalement en surface dudit film de Si.
Ce film de Si constitue en particulier une couche d'arrêt à la gravure (couche également dite etch-stop selon l'expression anglo-saxonne communément utilisée par l'homme du métier), lorsque l'on réalise une gravure sélective du SiGe vis-à-vis du Si.
Bien entendu, l'invention s'étend également aux structures plus complexes comprenant une couche supérieure en SiGe et une ou plusieurs couches de type etch-stop .
Le substrat support en silicium peut comprendre en surface une couche d'oxyde de silicium SiO2 obtenue de manière classique par oxydation thermique dudit substrat support de Si.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la couche de collage peut être une couche de silicium.
La couche de Si est préférablement en Si monocristallin, mais elle peut également être en Si polycristallin ou amorphe.
Une variante de ce premier mode de réalisation consiste à réaliser, préalablement au collage, une oxydation partielle de la couche de Si de manière à former une couche d'oxyde thermique en surface de ladite couche de Si.
Dans le cadre de cette variante, c'est donc la couche d'oxyde SiO2 ainsi formée par oxydation de la couche de Si qui joue à proprement parler le rôle d'une couche de collage.
L'oxydation n'étant que partielle, on notera que l'arrêt du front d'oxydation peut être maîtrisé avant que celui-ci n'atteigne la couche en io SiGe sous-jacente à ladite couche de collage, ce qui permet de s'affranchir des limitations mentionnées précédemment.
Selon ce premier mode de réalisation, on peut ainsi bénéficier des propriétés de collage: É d'une couche de collage en Si, sur une couche de SiO2 en surface d'un substrat support de Si (si le substrat support en Si est oxydé) ; et dans le cadre de la variante mentionnée ci-dessus: É d'une couche de collage en SiO2, sur une couche de SiO2 en surface d'un substrat support de Si (si le substrat support en Si est oxydé) ; É d'une couche de collage en SiO2 sur un substrat support de Si (si le substrat support en Si n'est pas oxydé).
Selon un second mode de réalisation de l'invention, la couche de collage peut être une couche de silicium-germanium de concentration en germanium telle que son collage (par exemple hydrophile) sur un substrat Si oxydé est maîtrisé (c'est-à-dire, comme cela a été mentionné précédemment, par exemple une couche de SiGe de faible concentration en germanium, typiquement inférieure à 20%).
Les figures 2a à 2f représentent un exemple de mise en oeuvre de l'invention pour le collage indirect d'une couche de SiGe relaxé sur un substrat support en silicium oxydé et l'obtention d'une structure SGOI.
Cette mise en oeuvre de l'invention est plus particulièrement réalisée dans le cadre d'un procédé de transfert de type SMARTCUT .
On trouvera de plus amples détails concernant le procédé SMARTCUT dans le document Silicon-On-Insulator Technology: Materials to VLSI, 2nd Edition de Jean-Pierre Colinge chez Kluwer Academic Publishers , p. 50 et 51.
En référence à la figure 2a, on utile un substrat donneur 30 comprenant une tranche de silicium monocristallin 31 sur laquelle est réalisée, par l'intermédiaire d'une couche tampon 321, une couche supérieure de SiGe relaxé 322.
La couche 322 de SiGe relaxé est avantageusement formée par épitaxie à la surface de la couche tampon 321.
Son épaisseur peut varier grandement selon les cas; elle est typiquement comprise entre 0,5 et 1 micron.
Sur la figure 2a, on désigne par la référence 32, l'ensemble constitué par la couche tampon 321 et la couche 322 de SiGe relaxé.
Un substrat support 40 en silicium oxydé est également représenté sur la figure 2a. Il comprend une tranche de silicium 45, une couche d'oxyde thermique 46, et une surface libre 44 (du côté de la couche d'oxyde 46) sur laquelle on désire coller la couche supérieure 322 du substrat donneur 30.
En référence à la figure 2b, on fait croître sur la couche supérieure 321 de SiGe relaxé, un film de silicium 33 monocristallin contraint qui servira à constituer une couche de collage.
Le silicium compris dans le film 33 est effectivement obligé par la couche de SiGe relaxé à augmenter son paramètre de maille nominal pour le rendre sensiblement identique à celui de son substrat de croissance et présenter ainsi des contraintes internes en tension.
Le film 33 en Si monocristallin contraint est avantageusement formé par épitaxie en utilisant les techniques connues telles que les techniques CVD et MBE (acronymes respectifs des expressions anglo-saxonnes Chemical Vapor Deposition et Molecular Beam Epitaxy).
La croissance épitaxiale de la couche de collage monocristalline et contrainte 33 peut être réalisée: É in situ, directement en continuation de la formation de la couche de SiGe 322 sous-jacente; ou encore, É après une légère étape de finition de surface de la couche de SiGe 322 sous-jacente, par exemple par polissage CMP (acronyme de l'expression anglo-saxonne Chemical-Mechanical Polishing).
L'épaisseur du film 33 de Si est choisie assez mince, inférieure à une épaisseur critique, de sorte qu'il n'y ait pas de relaxation dans l'épaisseur du film 33 de la contrainte imposée par la couche 322 de SiGe relaxé vers le paramètre de maille nominal du silicium et/ou une génération lo de défauts dans le film 33.
Une telle épaisseur critique dépend bien entendu de la concentration en germanium de la couche de SiGe qui impose la contrainte. De manière schématique, plus cette concentration est importante et plus l'épaisseur critique est faible.
L'épaisseur du film 33 de Si est également choisie de manière adaptée pour que la couche de collage qui sera constituée à partir de ce film 33 puisse disparaître, après collage, comme cela sera plus particulièrement détaillé par la suite, par diffusion de germanium dans son épaisseur, en étant assimilée et homogénéisée à la couche de SiGe 322.
On précise ici que la contrainte imposée au film 33 est un facteur permettant de favoriser une telle diffusion du germanium dans la couche decollage, pour son homogénéisation à la couche de SiGe 322.
Considérant une couche de SiGe 322 présentant une concentration en germanium de l'ordre de 20%, l'épaisseur du film 33 doit ainsi être typiquement inférieure à 20 nm pour y éviter toute relaxation de la contrainte.
L'épaisseur du film contraint 33 est préférablement d'environ 5 nm pour permettre sa disparition totale par assimilation à la couche de SiGe 322 lors de la diffusion du germanium contenue dans celle-ci.
De manière alternative, on peut déposer sur la couche supérieure de SiGe 322, non pas un film de Si monocristallin contraint, mais une couche de Si polycristallin ou amorphe.
Dans cette alternative, on n'observe pas ou peu de contrainte de la couche de Si. Il est ainsi possible de déposer une couche de Si polycristallin ou amorphe de l'épaisseur que l'on souhaite, sans qu'il n'y ait de limitations quant à son épaisseur, en particulier lorsqu'une oxydation partielle de cette couche de Si est envisagée avant collage.
En référence à la figure 2c, une implantation d'espèces atomiques ou ioniques est réalisée de manière connue en soi, à travers le film de Si monocristallin 33, dans la couche supérieure de SiGe 322, afin de créer une zone de fragilisation (représentée en traits pointillés) dans l'épaisseur de ladite couche supérieure de SiGe 322.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, on réalise, is avant l'étape d'implantation, une étape visant à déposer une couche'de protection sur la couche de collage.
Une telle couche de protection permet alors de protéger la surface de la couche de collage, en particulier des effets de l'implantation Le dépôt d'une telle couche de protection est plus particulièrement avantageux lorsque la couche de collage ne comporte pas une couche supérieure d'oxyde (ladite couche supérieure d'oxyde étant par exemple obtenue par une oxydation partielle de la couche de collage, comme cela est le cas des alternatives présentées par la suite).
La couche de protection est bien entendu retirée préalablement au 25 collage de la structure donneuse sur le substrat support.
En référence à la figure 2d, la structure donneuse implantée comprenant en surface le film de Si 33 est mise en contact intime avec la surface libre 44 du substrat support oxydé 40 de manière à réaliser un collage Si/oxyde bien maîtrisé.
De manière avantageuse, la surface du film de Si 33 et la surface libre 44 peuvent être préparées, préalablement au collage, de manière classiquement connue en soi, de manière à les rendre hydrophiles et à renforcer l'adhérence du collage du substrat donneur avec le substrat support 40 de silicium oxydé.
Différentes alternatives à cet exemple de mise en oeuvre de l'invention peuvent être envisagées (cf. la variante susmentionnée au premier mode de réalisation de l'invention).
Ainsi, selon une première alternative, le film 33 de Si contraint peut être partiellement oxydé, préalablement au collage de manière à former une couche d'oxyde thermique dans la région superficielle du film 33.
io Cette couche d'oxyde est alors utilisée comme couche de collage pour réaliser le collage sur un substrat support oxydé.
Selon une deuxième alternative, le film 33 de Si contraint peut également être partiellement oxydé. La couche d'oxyde thermique ainsi formée est alors utilisée comme couche de collage pour réaliser le collage directement sur un substrat support en Si et constitue à elle seule la couche d'oxyde enterrée de la structure SGOI finale.
On précise que ces deux alternatives peuvent également être mises en oeuvre lorsque la couche de collage est en Si polycristallin ou amorphe.
Revenant à la description de l'exemple de mise en oeuvre de l'invention, on réalise, suite à l'étape de collage indirect, une étape d'amincissement du substrat donneur visant à enlever une partie du substrat donneur pour n'en conserver qu'une partie (et en particulier une partie de la couche supérieure 322 de SiGe qui constituera la couche utile de la structure finale).
Dans le cadre du procédé de transfert du type SMARTCUT ici discuté, ladite étape d'amincissement est une étape, classique en soi, de détachement du substrat donneur au niveau de la zone de fragilisation formée lors de l'étape d'implantation mentionnée ci-dessus.
En référence à la figure 2e, suite à cette étape d'amincissement, une partie du substrat donneur est transférée sur le substrat support en ne conservant du substrat donneur que la partie de la couche supérieure en SiGe 322 du côté du film de Si 33 par rapport à la zone d'implantation.
On obtient ainsi une structure intermédiaire comprenant le substrat support oxydé 40, le film de Si 33 et une couche mince 32' de SiGe correspondant à ladite partie issue de la couche supérieure 322.
On précise ici que le document de T.A. Langdo et al., SiGe-free strained Si in insulator by wafer bonding and layer transfer , Applied Physics Letters, volume 82 number 24, June 16, 2003, présente le collage d'une couche de silicium contraint sur une couche d'oxyde thermique d'une manière similaire à ce qui a été jusqu'à présent exposé dans le cadre de cet exemple de mise en oeuvre de l'invention et illustré par les figures 2a à 2e.
L'objectif du collage présenté dans le document de T.A. Langdo et al. est cependant différent de celui de l'invention en ce qu'il concerne l'obtention d'une structure silicium contraint sur isolant (structure sSOI selon l'acronyme de l'expression anglo-saxonne strained Silicon on Insulator ), la contrainte de la couche de Si étant assurée grâce à la couche de SiGe relaxé sous-jacente.
Le document qui vient d'être cité n'évoque ainsi aucunement l'obtention d'une structure SGOI, et a fortiori ne propose aucune solution pour le collage d'une couche de SiGe relaxé sur un substrat support oxydé et n'envisage pas la diffusion du germanium de la couche de SiGe relaxé dans la couche de Si contraint.
En outre, dans ce document, la couche de silicium contraint transférée est volontairement épaisse de sorte qu'elle puisse être conservée et constituer la couche électrique active de la structure sSOI finale.
Et cette épaisseur est en particulier trop importante vis-à-vis des contraintes que l'invention impose pour que cette couche de Si contraint puisse disparaître, comme cela sera plus détaillé par la suite, par diffusion de germanium dans son épaisseur, en étant assimilée et homogénéisée à la couche de SiGe.
Revenant à la description de l'exemple de mise en oeuvre de l'invention, suite à l'étape d'amincissement, on procède, en référence à la figure 2f, à une étape consistant à faire diffuser du germanium depuis ladite couche mince 32' de SiGe dans la couche de collage (ici le film de silicium monocristallin contraint 33).
Et comme on l'a vu précédemment, la contrainte qui est imposée audit film 33 par la couche de SiGe favorise la diffusion du germanium à travers le film 33, les paramètres de maille dudit film 33 et de ladite couche de SiGe étant sensiblement idnetiques.
Cette étape de diffusion permet ainsi: É de faire disparaître la couche de Si 33 en l'assimilant à la couche de SiGe 32'; É d'obtenir une couche de SiGe 32" de concentration en germanium homogène On notera que la concentration en germanium dans la couche de SiGe 32" est quasiment inchangée par rapport à celle auparavant présente dans la couche de SiGe 32', en particulier du fait du rapport entre les épaisseurs de la couche de SiGe 32' et de la couche de collage (les échelles des couches représentées sur les figures n'étant pas représentatives).
Une telle étape de diffusion comporte un traitement thermique de la structure obtenue après collage et amincissement, réalisé par exemple entre 1000 C et 1100 C pendant environ deux heures.
On notera que ce traitement thermique peut être avantageusement réalisé lors des étapes de stabilisation classiquement réalisées, en particulier dans le cadre des procédés de transfert de type SMARTCUT , pour notamment renforcer l'interface entre la couche mince et le substrat support.
Finalement, on obtient une structure SGOI composé d'une tranche 30 de Si 45, d'une couche d'oxyde enterrée 46 et d'une couche mince de SiGe 32" bénéficiant d'une bonne qualité de collage des couches de SiGe 32" et d'oxyde 46 ensemble.
En outre, on notera que la qualité de l'oxyde enterré est celle d'un oxyde thermique. En effet, quelque soit la variante de réalisation retenue, s cet oxyde enterré est obtenu par oxydation thermique du substrat de Si 45 et/ou par oxydation thermique partielle du film de Si 33.
Comme cela a été présenté précédemment, les techniques de l'art antérieur du type dépôt d'oxyde sur SiGe nécessitent de polir ladite couche d'oxyde déposé avant collage, ce qui peut provoquer des inhomogénéités io d'épaisseur.
L'invention quant à elle permet de réaliser un collage ne nécessitant pas d'étape de polissage préalable d'une au moins des surfaces mises en contact. La couche d'oxyde enterrée présente ainsi une bonne uniformité d'épaisseur.
Bien entendu, on comprendra que cet exemple de mise en oeuvre de l'invention n'est pas limité à la structure comprenant une couche tampon ici présentée, mais peut également être appliqué en particulier à toute structure comprenant une couche supérieure en SiGe.
On comprendra également que le matériau de la couche de collage n'est pas limité au silicium. En effet, comme cela a déjà été mentionné précédemment à propos du second mode de réalisation de l'invention, pour le collage sur un substrat support oxydé, le matériau de la couche de collage peut être du SiGe.
Plus précisément, on utilise alors une couche de collage en SiGe présentant une teneur en germanium telle (typiquement inférieure à 20%) que le collage de cette couche de SiGe sur une couche d'oxyde SiO2 peut être réalisé de manière satisfaisante.
L'utilisation d'une telle couche de SiGe de faible teneur en germanium peut ainsi permettre de réaliser le collage d'une couche de SiGe de teneur en germanium trop importante pour pouvoir réaliser un collage direct de ladite couche de SiGe sur un substrat support oxydé.
On notera que lorsque l'on utilise une couche de collage en Si1_xGex à faible concentration x en Ge pour le collage indirect d'une couche supérieure de Sii_yGey de concentration y en germanium plus importante (y> x), ladite couche de collage en Sii_xGex est contrainte par ladite couche supérieure de Si1_yGey.
De manière similaire à ce qui a été présenté précédemment relativement à une couche de collage constituée à partir d'un film de Si monocristallin contraint, la contrainte imposé à la couche de collage en Sil_)(Gex est un facteur permettant de favoriser la diffusion du germanium à travers ladite couche 'de collage, pour son homogénéisation à la couche supérieure de Si1_yGey.
L'épaisseur de la couche de collage en Si1_xGex est ainsi choisie de sorte qu'il n'y ait pas de relaxation de la contrainte à travers son épaisseur et que cette couche de collage puisse disparaître, après collage, par diffusion du germanium à travers son épaisseur.
On précise en outre que les étapes d'implantation et de détachement au niveau d'une zone de fragilisation exposées ci-dessus ne sont mentionnées qu'à titre d'exemples d'étapes permettant de réaliser l'amincissement, du côté du substrat donneur, de la structure obtenue après collage.
D'autres exemples de techniques d'amincissement sont mentionnés cidessous. On notera que ces exemples ne constituent en aucun cas une limitation, l'invention s'étendant à tout type de technique apte à amincir le substrat donneur conformément au procédé selon l'invention.
Une technique peut par exemple consister à réaliser un enlèvement de matière en coupant , par apport d'énergie, le substrat donneur au niveau d'une zone que l'on a préalablement fragilisée par création d'au moins une couche poreuse.
D'autres techniques consistent par exemple en une attaque 30 mécanique ou mécano-chimique par rodage et/ou polissage mécano-chimique CMP.
On peut également citer des techniques de gravure par voie sèche, telles que des gravures par plasma ou par pulvérisation.
Enfin des techniques de gravure chimique sélective peuvent être mises en oeuvre, en particulier lorsque la structure à graver comprend des 5 couches d'arrêt à la gravure.
Cela est en particulier le cas d'un substrat donneur comprenant une couche d'arrêt à la gravure en Si sous-jacente une couche supérieure de SiGe pour lequel ladite couche d'arrêt à la gravure en Si peut alors être utilisée afin d'amincir, après collage, par gravure sélective, ledit substrat io donneur.
Enfin, l'invention ne concerne pas seulement le collage indirect d'une couche de SiGe, mais concerne également le collage indirect de toute couche en matériau semiconducteur pouvant être transféré selon le procédé de l'invention, sur un substrat support, par l'intermédiaire d'une couche de collage.

Claims (25)

REVENDICATIONS
1. Procédé de réalisation d'une structure comprenant une couche mince (2") en matériau semi-conducteur sur un substrat support (20), ladite couche mince étant obtenue à partir d'un substrat donneur (10) comprenant une couche supérieure (2) en matériau semi-conducteur, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de: É formation sur ladite couche supérieure (2) d'une couche de collage (3) en un matériau acceptant la diffusion d'un élément du matériau de io la couche supérieure (2) ; É collage du substrat donneur (10), du côté de la couche de collage (3) formée sur la couche supérieure (2), avec le substrat support (20) ; É diffusion dudit élément de la couche supérieure dans la couche de collage de manière à homogénéiser la concentration dudit élément dans la couche de collage et ladite couche supérieure, pour constituer ladite couche mince (2") de la structure avec ladite couche de collage et ladite couche supérieure.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lors de l'étape de diffusion dudit élément de la couche supérieure dans la couche de collage, ladite couche de collage (3) disparaît en se confondant avec ladite couche supérieure pour former ladite couche mince (2") de la structure.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, suite au collage et préalablement à la diffusion, une étape d'amincissement visant à enlever une partie du substrat donneur (10) pour n'en conserver qu'une partie de la couche supérieure, de manière à obtenir une structure intermédiaire comprenant le substrat support (20), la couche de collage (3) et une couche mince (2') formée par la partie de la couche supérieure restant solidaire de la couche de collage. io
4. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'amincissement est réalisé par détachement du substrat donneur (10) au niveau d'une zone de fragilisation formée préalablement au collage dans s l'épaisseur de ladite couche supérieure (2).
5. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la zone de fragilisation est formée par implantation d'espèces dans la couche supérieure (2).
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte, préalablement à l'implantation, une étape visant à déposer une couche de protection sur ladite couche de collage, ladite couche de protection étant retirée avant l'étape de collage.
7. Procédé selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que l'étape d'amincissement comprend au moins une gravure
8. Procédé selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que 20 l'étape de diffusion est réalisée par application d'un traitement thermique à la structure intermédiaire obtenue après amincissement.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'étape de diffusion est réalisée lors d'un traitement thermique de stabilisation de 25 l'interface de collage de la structure obtenue après amincissement.
10. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que ledit traitement thermique est réalisé entre 1000 c et 1100 C pendant deux heures environ.
11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite couche supérieure (322) est en silicium-germanium SiGe, caractérisé en ce que l'étape de diffusion consiste à faire diffuser l'élément germanium Ge de ladite couche supérieure (322) dans la couche de collage (33).
12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'étape de formation de la couche de collage comprend la formation d'un film de silicium Si contraint sur ladite couche supérieure (322) en SiGe.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la couche de collage est formée par croissance épitaxiale d'un film (33) de silicium monocristallin contraint sur ladite couche supérieure (322) en SiGe.
14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit film (33) de Si contraint épitaxié a une épaisseur d'environ 5 nm.
15. Procédé selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que le collage est réalisé sur un substrat support oxydé (40) de sorte 20 qu'un collage Si/oxyde bien maîtrisé est réalisé.
16. Procédé selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, suite à la formation dudit film de Si contraint et préalablement au collage, une étape d'oxydation thermique partielle dudit film de Si contraint, de manière à former une couche d'oxyde thermique en surface dudit film de Si contraint.
17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que le collage est réalisé directement sur un substrat support oxydé de sorte qu'un 30 collage oxyde/oxyde bien maîtrisé est réalisé.
18. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que le collage est réalisé directement sur un substrat support en silicium de sorte qu'un collage oxyde/Si bien maîtrisé est réalisé.
19. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'étape de formation de la couche de collage comprend le dépôt, sur ladite couche supérieure en SiGe, d'un film de SiGe présentant une concentration en germanium telle que le collage direct dudit film de SiGe déposé sur une couche d'oxyde est réalisable. io
20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que la concentration en germanium dudit film de SiGe déposé est inférieure à 20%.
21. Procédé selon l'une des revendications 19 ou 20, caractérisé en ce que le collage est réalisé directement sur un substrat support oxydé de sorte qu'un collage SiGe/oxyde bien maîtrisé est réalisé.
22. Procédé selon l'une des revendications 15 ou 21, caractérisé en ce que, au cours de l'étape de diffusion, l'élément germanium Ge diffuse dans la couche de collage de sorte qu'une couche de concentration homogène en germanium est obtenue par assimilation de ladite couche de collage avec ladite couche supérieure en SiGe.
23. Procédé selon l'une des revendications 17 ou 18, caractérisé en ce que, au cours de l'étape de diffusion, l'élément germanium Ge diffuse dans la partie non-oxydée du film de silicium contraint partiellement oxydé avant collage, de sorte qu'une couche de concentration homogène en germanium est obtenue par assimilation de ladite partie non-oxydée du film de silicium contraint partiellement oxydé avec ladite couche supérieure en SiGe.
24. Procédé selon l'une des revendications 22 ou 23, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, préalablement au collage, une étape de traitement des surfaces à coller de manière à les rendre hydrophiles et à réaliser un collage hydrophile desdites surfaces entre elles.
25. Procédé de collage entre elles d'une première et d'une seconde plaquettes en matériaux semi-conducteurs, la première plaquette comprenant un couche supérieure et la seconde plaquette comprenant io une face libre, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de: É formation sur la couche supérieure de la première plaquette, d'une couche de collage en un matériau acceptant la diffusion d'un élément du matériau de la couche supérieure; É collage de la première plaquette, du côté de la couche de collage formée sur la couche supérieure, avec la face libre de la seconde plaquette; É diffusion dudit élément de la couche supérieure dans la couche de collage de manière à homogénéiser la concentration dudit élément dans la couche de collage et ladite couche supérieure, ladite couche de collage disparaissant en se confondant avec ladite couche supérieure de sorte que lesdites plaquettes sont collées entre elles, la couche supérieure de la première plaquette étant liée avec la face libre de la seconde plaquette.
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