FR2884966A1 - Procede de collage de deux tranches realisees dans des materiaux choisis parmi les materiaux semiconducteurs - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de collage de deux tranches réalisées dans des matériaux choisis parmi les matériaux semiconducteurs, ledit procédé mettant en oeuvre une activation plasma de la surface d'au moins une des deux tranches à coller ensemble, caractérisé en ce que lors de l'activation plasma on contrôle les paramètres de l'activation en vue de modifier l'énergie cinétique d'espèces comprises dans le plasma, pour créer dans l'épaisseur d'une région superficielle de la tranche dont la surface est activée une région perturbée d'épaisseur contrôlée.
Description
L
La présente invention concerne un procédé de collage de deux tranches réalisées dans des matériaux choisis parmi les matériaux semiconducteurs, ledit procédé mettant en oeuvre une activation plasma de la surface d'au moins une des deux couches à coller ensemble.
On connaît déjà des procédés de ce type.
Le collage est ici compris comme un collage par adhésion moléculaire, au cours duquel deux surfaces parfaitement planes adhèrent l'une à l'autre sans application de colle ceci étant possible à température ambiante.
La qualité du collage est caractérisée notamment par l'énergie de collage, qui traduit la force de la liaison entre deux tranches collées ensemble.
Et pour consolider un collage par adhésion moléculaire de deux tranches, on fait subir aux tranches collées ensemble un traitement thermique.
Un tel traitement thermique permet d'amener l'énergie de collage de deux tranches à une valeur de l'ordre de 500mJ/m2 au moins, ce qui peut correspondre aux valeurs typiquement désirées.
De manière classique, un tel traitement thermique est généralement mené à une température de l'ordre de 900 C au moins (ce qui définit dans le cadre de ce texte le domaine des hautes températures ). Dans le cas d'un collage entre une tranche de Si et une tranche de Si ou de SiO2, l'énergie de collage est maximisée avec un traitement mené à des températures de l'ordre de 1100-1200 C.
L ( activation plasma d'une surface à coller est définie comme l'exposition de cette surface à un plasma (ceci pouvant se faire notamment sous vide ou à pression atmosphérique) préalablement à la mise en contact des surfaces à coller.
Plus précisément, dans les techniques connues d'activation la surface d'une tranche à activer est exposée à un plasma lors d'une étape d'exposition dans laquelle les paramètres d'exposition sont contrôlés pour être chacun fixé à une valeur respective donnée, qui reste fixe durant l'activation plasma.
En premier ordre, les paramètres d'exposition sont: É la densité de puissance. Il s'agit de la densité de puissance alimentant le plasma, qui traduit une densité de puissance par unité de surface (W/cm2) et qui pourra également être désignée sous le simple terme de puissance dans ce texte, É la pression (pression dans l'enceinte contenant le plasma), É et la nature et le débit du gaz alimentant cette enceinte.
Une telle activation permet notamment de réaliser des collages par adhésion moléculaire, en obtenant des énergies de collage importantes sans nécessiter le recours à un traitement thermique qui doive obligatoirement être mené à des hautes températures.
L'activation plasma permet en effet d'obtenir, entre deux tranches dont une au moins a été activée avant collage, des fortes énergies de collage après des traitements thermiques menés sur des durées relativement courtes (par exemple de l'ordre de 2 heures) et à des températures relativement basses (par exemple de l'ordre de 600 C ou moins).
Une telle activation est donc avantageuse pour stabiliser une structure comprenant deux tranches collées, dans le cas où on désire éviter de soumettre la structure à des températures trop importantes (notamment cas des hétérostructures, qui sont définies comme des structures comportant des couches réalisées en des matériaux ayant des coefficients de dilatation thermique sensiblement différents).
Une telle activation peut également être intéressante pour obtenir des forces de collage importantes à température donnée.
Une telle activation est ainsi intéressante par exemple pour réaliser des structures multicouches en faisant intervenir un collage de deux 30 tranches.
Les méthodes de transfert (notamment les méthodes de type Smart CutTM dont on peut trouver une description générale dans l'ouvrage SILICON-ONINSULATOR TECHNOLOGY: Materials to VLSI, 2nd Edition (Jean-Pierre COLINGE) ) constituent un exemple d'application pouvant bénéficier d'une activation plasma en support d'un collage.
Le but de l'invention est d'améliorer les techniques connues de collage mettant en oeuvre une activation plasma.
En particulier, un but de l'invention est d'augmenter l'énergie de collage obtenu après activation plasma.
Un autre but de l'invention est de permettre d'obtenir une énergie de collage importante, même lorsque seulement une des deux surfaces à coller ensemble a été activée par plasma avant le collage.
Afin d'atteindre ces buts, l'invention propose selon un premier aspect un procédé de collage de deux tranches réalisées dans des matériaux choisis parmi les matériaux semiconducteurs, ledit procédé mettant en oeuvre une activation plasma de la surface d'au moins une des deux tranches à coller ensemble, caractérisé en ce que lors de l'activation plasma on contrôle les paramètres de l'activation en vue de modifier l'énergie cinétique d'espèces comprises dans le plasma, pour créer dans l'épaisseur d'une région superficielle de la tranche dont la surface est activée une région perturbée d'épaisseur contrôlée.
Des aspects préférés, mais non limitatifs du procédé selon l'invention sont suivants: É ledit contrôle des paramètres de l'activation permet également de contrôler la profondeur maximale de ladite région perturbée dans ladite tranche dont la surface est activée, É ledit contrôle des paramètres de l'activation comprend une variation contrôlée desdits paramètres, É ladite région perturbée s'étend dans l'épaisseur de la dite tranche dont las surface est activée entre une profondeur de 10 angstrôms et une profondeur de 250 angstrôms, É lesdites espèces sont des ions du plasma, É ledit contrôle vise à obtenir pour lesdites espèces comprises dans le plasma une énergie cinétique comprise entre 10 eV et 2keV, É ledit contrôle des paramètres de l'activation comprend le contrôle de l'énergie cinétique par l'intermédiaire du contrôle de la densité de puissance alimentant une électrode reliée à la tranche dont on désire activer la surface, É ladite densité de puissance de manière à réaliser une variation contrôlée de la densité de puissance générant le plasma, É ladite densité de puissance en appliquant dans un premier temps une première puissance dite haute, et en appliquant dans un deuxième temps une deuxième puissance, dite basse et inférieure à la puissance haute, É la variation entre puissance haute et puissance basse est effectuée par paliers de puissance, un palier de puissance correspondant à la puissance haute et un autre palier de puissance correspondant à la puissance basse, É le palier correspondant à la puissance haute et le palier correspondant à la puissance basse sont menés chacun pendant une durée comprise entre 5 et 60 secondes, É le palier correspondant à la puissance haute et le palier correspondant à la puissance basse sont menés chacun pendant une durée comprise entre 10 et 30 secondes, É la variation entre puissance haute et puissance basse est effectuée en faisant décroître de manière continue la puissance de la puissance haute jusqu'à la puissance basse, É la puissance haute a une valeur comprise entre 1,5 et 15 W par cm2 de surface à activer et la puissance basse a une valeur comprise entre 0,15 et 1,5 W par cm2 de surface à activer, É la puissance haute a une valeur de 3 W par cm2 de surface à activer et la puissance basse a une valeur de 0,8 W par cm2 de surface à activer, É la surface de la tranche à activer est un disque de 200 mm de diamètre, la puissance haute a une valeur de 1000 W et la puissance basse a une valeur de 250 W, É la surface de la tranche à activer est un disque de 300 mm de diamètre, la puissance haute a une valeur de 2000 W et la puissance basse a une valeur de 500 W, É le plasma est généré par une équipement du type RIE comprenant un 5 générateur RF unique alimentant l'électrode supportant la tranche à activer via un couplage capacitif, É ladite variation est réalisée sur un intervalle de temps d'une durée comprise entre 10 secondes et 2mn, É ladite électrode reliée à la tranche dont on désire activer la surface est 10 utilisée uniquement pour contrôler l'énergie cinétique des espèces du plasma, É ladite électrode reliée à la tranche dont on désire activer la surface est utilisée à la fois pour contrôler l'énergie cinétique des espèces du plasma, et pour exciter le plasma, É ledit contrôle des paramètres de l'activation comprend le contrôle de l'énergie cinétique par l'intermédiaire du contrôle de la composition du gaz dans lequel le plasma est créé, É ledit contrôle de composition du gaz est réalisé pour obtenir une variation contrôlée de la nature du gaz utilisé pour générer le plasma, É ladite variation consiste à traiter la surface à activer par un plasma obtenu à partir d'un premier gaz, puis par un plasma obtenu à partir d'un deuxième gaz, É ledit premier gaz est composé d'espèce(s) plus légère(s) que ledit deuxième gaz, É ledit premier gaz est de l'hélium et ledit deuxième gaz est de l'oxygène ou de l'argon, ou ledit premier gaz est de l'oxygène et ledit deuxième gaz est de l'argon, É le premier et/ou le deuxième gaz sont des mélanges gazeux par exemple des mélanges entre une espèce destinée à être ionisée (Ar ou 30 02 par exemple) et une espèce destinée à rester neutre (non ionisée), mais permettant de diluer et de doser l'espèce ionisée (cette espèce non ionisée peut par exemple être de l'hélium), É ledit contrôle des paramètres de l'activation comprend le contrôle de l'énergie cinétique par l'intermédiaire du contrôle de la pression régnant dans le plasma, É ledit contrôle de la pression est réalisé pour obtenir une variation contrôlée de la pression, É ladite variation contrôlée de la pression consiste à contrôler la pression à un niveau dit bas dans un premier temps de l'activation, puis à un niveau dit haut, supérieur audit niveau bas, dans un deuxième temps de l'activation, É ledit contrôle des paramètres de l'activation est réalisé en vue de créer dans l'épaisseur de ladite région superficielle de la tranche dont la surface est activée une région perturbée unique, É ledit contrôle des paramètres de l'activation est réalisé en vue de créer plusieurs régions perturbées dans l'épaisseur de ladite région superficielle de la tranche dont la surface est activée, chacune desdites régions perturbées s'étendant à une profondeur respective dans l'épaisseur de ladite tranche, É on procède pour ledit collage à l'activation plasma de la surface de seulement une des deux tranches à coller ensemble, Selon un deuxième aspect, l'invention propose également un procédé de transfert d'une couche mince de matériau semiconducteur d'une tranche top formant substrat donneur vers une tranche base formant substrat receveur, caractérisé en ce que ledit procédé met en oeuvre selon un des aspects mentionnés ci-dessus un collage pour coller une surface dudit substrat donneur avec une surface dudit substrat receveur, Des aspects préférés, mais non limitatifs de ce procédé sont les suivants: É ledit procédé de transfert est réalisé selon la méthode Smart-CutTM mettant en oeuvre une implantation de fragilisation avant le collage pour créer dans l'épaisseur du substrat donneur une zone de fragilisation, et un détachement au niveau de ladite zone de fragilisation après le collage, É préalablement au collage on active par plasma la surface oxydée dudit substrat donneur après son implantation.
D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: É La figure 1 est une représentation schématique d'une répartition de perturbations/désordres pouvant être obtenue dans le cas de l'invention, dans l'épaisseur d'une tranche activée par plasma, É La figure 2 est un graphe illustrant l'influence de la puissance appliquée pour générer le plasma utilisé pour activer la surface d'une tranche de matériau semiconducteur (en l'occurrence du Si oxydé en surface) sur l'épaisseur de la zone perturbée obtenue sous la surface de ladite tranche suite à l'activation, É La figure 3 est un graphe représentant différentes évolutions possibles de la puissance appliquée pour générer le plasma utilisé pour activer la surface d'une tranche de matériau semiconducteur, en fonction du temps. Sur ce graphe, les deux évolutions représentées en pointillés correspondent à des évolutions connues dans l'état de la technique (valeur fixe et unique de la puissance durant toute l'activation), et les trois évolutions représentées en traits pleins correspondent à trois variantes de mise en oeuvre de l'invention, É La figure 4 est un graphe illustrant l'énergie de collage obtenue entre une tranche de Si oxydée en surface et activée par plasma avant le collage, et une tranche de Si, pour quatre conditions d'activation différentes.
Contexte de l'invention L'invention s'applique au collage de deux tranches de matériaux semiconducteurs. Chacun de ces matériaux peut être du Si, ou un autre matériau semiconducteur.
Les surface à coller des deux tranches peuvent en outre avoir été oxydées préalablement à l'activation plus précisément l'une, ou l'autre surface à coller peut avoir été oxydée, ou bien les deux surfaces à coller.
Comme on va le voir, l'activation peut être réalisée sur les deux surfaces à coller, ou sur une seule d'entre elles. Un avantage de l'invention est en effet de pouvoir activer une seule des deux surfaces à coller tout en obtenant après le collage une énergie de collage suffisamment importante.
On précise également que l'invention permet de réaliser un collage notamment dans le cadre d'une méthode de transfert d'une couche mince de matériau semiconducteur d'une tranche top formant substrat donneur vers une tranche base formant substrat receveur. Par couche mince on entend une couche de quelques dizaines à quelques centaines d'angstrôms d'épaisseur Dans cette application aux méthodes de transfert, le collage est réalisé après l'activation, entre une surface dudit substrat donneur avec une surface dudit substrat receveur.
Ledit procédé de transfert peut notamment être réalisé selon la méthode Smart-CutTM mettant en oeuvre une implantation de fragilisation avant le collage pour créer dans l'épaisseur du substrat donneur une zone de fragilisation, et un détachement au niveau de ladite zone de fragilisation après le collage.
On précise que préalablement au collage l'activation par plasma peut par exemple être réalisée sur la surface oxydée dudit substrat donneur après son implantation.
3 0 Caractéristiques principales de l'invention L'invention se distingue des procédés connus, dans lesquels l'activation est réalisée en une étape unique lors de laquelle les paramètres d'activation sont fixes et ne varient pas.
Dans le cas de l'invention en effet, on met en oeuvre une activation plasma d'au moins une surface de tranche à coller en contrôlant les paramètres de l'activation en vue de modifier l'énergie cinétique d'espèces comprises dans le plasma, pour créer dans l'épaisseur d'une région superficielle de la tranche dont la surface est activée une région perturbée de profondeur contrôlée.
En d'autres termes, le contrôle des paramètres de l'activation permet d'obtenir dans l'épaisseur de chaque surface activée une région perturbée qui s'étend dans la tranche activée jusqu'à une profondeur contrôlée, et désirée.
En outre, le contrôle des paramètres d'activation permet également 15 de contrôler l'épaisseur de ladite région perturbée.
En pratique, on pourra chercher à constituer une région perturbée enterrée dans l'épaisseur de la tranche activée, ou bien une région perturbée affleurante.
En tout état de cause, l'invention permet de contrôler l'épaisseur et la profondeur de la région perturbée créée (i.e. sa profondeur maximum et sa profondeur minimum dans l'épaisseur de la tranche activée).
A cet égard, on précise qu'on réalisera de préférence l'activation de manière à obtenir pour les d'espèces comprises dans le plasma: É dans un premier temps de l'activation une énergie cinétique plus importante de l'activation, É puis une énergie cinétique moins importante dans un deuxième temps de l'activation.
Ceci permet de générer dans l'épaisseur de la tranche qui est 30 soumise à l'activation: É durant le premier temps de l'activation, des perturbations/désordres (que l'on peut noter D) importants et enterrés autour d'une profondeur P1 dans la tranche, É durant le deuxième temps de l'activation, des perturbations/désordres (que l'on peut noter d) moins importants, enterrés à une profondeur P2, inférieure à la profondeur P1.
Cette séquence de contrôle de l'activation permet de maximiser l'épaisseur (ainsi que la profondeur maximale) de la région perturbée.
Or il semble que cette région perturbée joue le rôle d'un réservoir apte à accueillir les gaz et autres éléments présents sur la surface à coller. En attirant et en piégeant ces gaz et autres éléments, la région perturbée semble donc de favoriser le collage.
On peut penser que les perturbations/désordres D seront aptes à être alimentés en gaz et autres éléments à piéger par les perturbations/désordres d qui seront interposés entre les perturbations/désordres D et la surface à activer les perturbations/désordres D et d formant une sorte de réseau de piégeage s'étendant dans la profondeur de la tranche (voir figure 1 qui illustre une répartition obtenue dans l'épaisseur d'une tranche activée par plasma) .
On précise que par région perturbée on entend dans ce texte une région altérée par l'exposition au plasma, l'altération correspondant à l'introduction dans la structure de la région perturbée de défauts, perturbations, désordres à l'échelle atomique (fragilisation de liaisons atomiques, changement des angles de ces liaisons, ...).
Cette altération permet d'améliorer le collage et notamment d'augmenter l'énergie de collage.
Cette altération est caractérisée par une vitesse de gravure supérieure à la vitesse de gravure que l'on observerait sur une tranche non activée.
Une telle région perturbée est en effet gravée plus rapidement qu'une tranche non activée (par exemple par gravure humide de type SC1 NH4OH + H2O2 + H2O).
A titre d'exemple, pour une gravure humide de type SC1 (NH4OH + H2O2 + H2O) menée pendant trois minutes, on observe (à température fixe) les épaisseurs de gravure suivantes, pour des couches de différents matériaux: É Couche d'oxyde de silicium non traité (c'est-à-dire substrat comprenant une couche superficielle de SiO2) : 6 angstrôms, É Couche d'oxyde de silicium implanté (avec de l'hydrogène, dans le cadre d'un transfert de couche par une méthode de type Smart-CutTM) : 20 angstrôms, É Couche d'oxyde de silicium perturbé au sens du présent texte, suite à une exposition plasma: 37 angstrôms. On précise que cette valeur de 37 angstrôms est la même, que la couche ait été implantée ou non.
Ces résultats illustrent que la perturbation créée par l'activation plasma peut être caractérisée par une vitesse de gravure sensiblement augmentée.
Les résultats ci-dessus ont été obtenus pour une température de solution de gravure de 70 C (solution SC1).
On précise que l'augmentation de vitesse de gravure observée sur une tranche dont le matériau est perturbé au sens du présent texte sera d'autant plus importante que la température à laquelle la gravure est effectuée sera importante.
Et l'information de vitesse de gravure fournie ci-dessus à propos d'une tranche en matériau qui a subi une implantation illustre le fait qu'un matériau perturbé au sens du présent texte est caractérisé par une vitesse de gravure plus importante encore que celle observée sur le même type de matériau, non perturbé mais implanté.
A propos de l'augmentation de la vitesse de gravure observée dans le cas d'un matériau altéré par activation plasma, on pourra se référer à l'article Effect of plasma activation on hydrophilic bonding of Si and SiO2 , J. of Electrochem. Soc., vol 149, N 6, p. 348 (2002) de T. Suni et al. La région perturbée obtenue dans le cas de l'invention s'étend typiquement dans l'épaisseur de la tranche dont la surface est activée entre une profondeur de 10 angstrôms et une profondeur de 250 angstrôms.
On précise que les espèces mentionnées plus haut sont typiquement des ions du plasma.
Et le contrôle des paramètres d'activation vise typiquement à obtenir pour lesdites espèces comprises dans le plasma une énergie cinétique comprise entre 10 eV et 2keV.
On précise enfin que le contrôle des paramètres de l'activation 10 comprend de préférence une variation contrôlée d'au moins certains de ces paramètres.
Une telle variation contrôlée permet en effet d'obtenir une région perturbée continue et homogène (par exemple en faisant varier que ce soit par paliers ou de manière continue la puissance, les différentes valeurs de puissance permettant de constituer la région perturbée en ses différentes profondeurs dans l'épaisseur de la tranche à activer.
Et de manière générale, cette variation contrôlée des paramètres d'activation sera de préférence réalisée de manière à obtenir au début de l'activation une plus forte énergie cinétique des ions, et vers la fin de l'activation une énergie cinétique moins importante.
Configuration de l'installation générant le plasma L'invention est mise en oeuvre avec une installation comprenant 25 une enceinte à plasma dans laquelle la pression et la composition de l'atmosphère sont contrôlées.
II existe plusieurs types de telles installations.
L'invention pourra être mise en oeuvre avec une installation du type RIE comprenant un générateur RF unique alimentant une électrode 30 supportant la tranche à activer via un couplage capacitif.
C'est ce générateur RF unique qui permet de générer le plasma (c'est-àdire d'exciter ses espèces).
Et la puissance dont il est question dans ce texte, et qui est un des paramètres de l'activation, est plus précisément la puissance de ce générateur relié à l'électrode en contact avec la tranche à activer.
L'enceinte à plasma comporte une deuxième électrode, non reliée à la tranche à activer. Cette deuxième électrode n'est reliée à aucun générateur.
Dans cette variante, le contrôle de la puissance du générateur unique (qui est relié à l'électrode en contact avec la tranche à activer) permet à la fois d'exciter le plasma, et de contrôler l'énergie cinétique des ions du plasma, qui bombardent la surface de la tranche à activer.
On précise qu'il est également possible de mettre en oeuvre l'invention avec une installation similaire à celle qui vient d'être mentionnée, dans laquelle la deuxième électrode est reliée à un deuxième générateur RF.
Dans ce cas, c'est le deuxième générateur RF (relié à l'électrode avec laquelle la tranche à activer n'est pas en contact) qui excite le plasma. Ce deuxième générateur est ainsi commandé pour contrôler la densité du plasma.
Dans cette variante, le contrôle de la puissance du premier 20 générateur (qui est relié à l'électrode en contact avec la tranche à activer) permet de contrôler uniquement l'énergie cinétique des ions du plasma, qui bombardent la surface de la tranche à activer.
Contrôle de la densité de puissance Comme cela a été mentionné ci-dessus, il est possible de réaliser le contrôle des paramètres de l'activation en contrôlant la densité de puissance alimentant une électrode reliée à la tranche dont on désire activer la surface.
La Demanderesse a en effet constaté que l'application d'une puissance supérieure avait pour effet d'augmenter l'épaisseur de la région perturbée créée.
Ceci est illustré sur la figure 2, qui représente en abscisses la densité de puissance en W/cm2 utilisée pour l'activation plasma, et en ordonnées l'épaisseur (en angstrôms) de la région perturbée créée par l'activation.
Chaque point du graphe de cette figure correspond à une puissance différente.
On précise que les points de cette courbe ont été acquis our des tranches de 200 mm de diamètre (points noirs de la courbe) ou de 300 mm de diamètre (deux points noirs de la courbe celui de gauche correspondant à une puissance de 250W et celui de droite à une puissance de 1000W).
On précise ici encore que la puissance qui est contrôlée dans le cadre de l'invention est la puissance de l'électrode reliée à la tranche à activer, pour contrôler l'énergie cinétique des espèces ionisées du plasma.
Dans le cadre du contrôle de la puissance, on fait varier la densité de puissance en appliquant dans un premier temps une première puissance dite haute, et en appliquant dans un deuxième temps une deuxième puissance, dite basse et inférieure à la puissance haute.
La variation entre puissance haute et puissance basse peut être effectuée par paliers de puissance, un palier de puissance correspondant à la puissance haute et un autre palier de puissance correspondant à la puissance basse.
Ceci est illustré sur deux des trois évolutions représentées en traits pleins sur la figure 3.
On rappelle que sur cette figure, les évolutions représentées en pointillés correspondent à des conditions de l'état de la technique, dans lesquelles la puissance est maintenue constante durant toute l'activation.
Le palier correspondant à la puissance haute et le palier correspondant à la puissance basse sont menés chacun pendant une durée comprise entre 5 et 60 secondes, de préférence entre 10 et 30 secondes Il est également possible de réaliser l'évolution entre puissance haute et puissance basse de manière continue en faisant décroître la puissance de la puissance haute jusqu'à la puissance basse.
Ceci est illustré sur la courbe de la figure 3 qui représente une pente continue entre puissance haute initiale, et puissance basse finale.
Cette variation continue est typiquement réalisée sur un intervalle de temps d'une durée comprise entre 10 secondes et 2mn.
Les puissances haute et basse sont définies en fonction de l'étendue de la surface à activer.
La puissance haute a typiquement une valeur comprise entre 1,5 et 15 W par cm2 de surface à activer et la puissance basse a typiquement une valeur comprise entre 0,15 et 1,5 W par cm2 de surface à activer.
Plus précisément, on pourra choisir une puissance haute avec une valeur de 3 W par cm2 de surface à activer et une puissance basse avec une valeur de 0,8 W par cm2 de surface à activer.
Dans ce cas et pour une tranche à activer dont la surface est un disque de 200 mm de diamètre, la puissance haute a une valeur de 1000 W et la puissance basse a une valeur de 250 W. Pour une tranche à activer dont la surface est un disque de 300 mm 20 de diamètre, la puissance haute a une valeur de 2000 W et la puissance basse a une valeur de 500 W. Contrôle de la composition du gaz II est également possible d'effectuer le contrôle des paramètres de l'activation par le contrôle de la composition du gaz dans lequel le plasma est créé.
Ce type de contrôle peut être mis en oeuvre en combinaison avec un contrôle de puissance tel que mentionné ci-dessus, ou bien constituer le seul contrôle réalisé.
Ledit contrôle de composition du gaz est réalisé pour obtenir unevariation contrôlée de la nature du gaz utilisé pour générer le plasma.
Cette variation consiste à traiter la surface à activer par un plasma obtenu à partir d'un premier gaz, puis par un plasma obtenu à partir d'un 5 deuxième gaz.
Et ledit premier gaz est de préférence composé d'espèce(s) plus légère(s) que ledit deuxième gaz.
En effet, ceci permet: É Au début de l'activation, de faire pénétrer dans la tranche à activer les 10 espèces du premier gaz plus profondément, É Vers la fin de l'activation, de compléter la création de la région perturbée par la pénétration dans la tranche à activer des deuxième espèces, qui sont plus lourdes et pénètrent donc moins profondément dans la tranche à activer.
Par exemple, le premier gaz peut être de l'hélium et le deuxième gaz de l'oxygène ou de l'argon. Selon un autre exemple, le premier gaz peut être de l'oxygène et le deuxième gaz de l'argon.
Le premier et/ou le deuxième gaz peuvent également être des mélanges gazeux par exemple des mélanges entre une espèce destinée à être ionisée (Ar ou 02 par exemple) et une espèce destinée à rester neutre (non ionisée), mais permettant de diluer et de doser l'espèce ionisée (cette espèce non ionisée peut par exemple être de l'hélium).
Contrôle de la pression Il est également possible de contrôler les paramètres de l'activation en contrôlant la pression régnant dans le plasma.
Ici encore, ce contrôle peut être effectué seul, ou en combinaison avec au moins un des contrôles mentionnés ci-dessus (puissance, 30 composition) .
Cette pression peut être contrôlée de manière à être moins importante au début de l'activation, et plus importante vers la fin de l'activation.
En effet, il est de manière générale désiré d'obtenir dans un premier temps de l'activation une énergie cinétique plus importante et dans un deuxième temps une énergie cinétique moins importante. Et une pression plus faible génèrera une énergie cinétique plus importante.
Les valeurs de la pression seront typiquement comprises entre 5 mTorr et 10 Torr, de préférence entre 20 et 100 mTorr.
Augmentation de l'énergie de collage Dans tous les cas de figure, le contrôle des paramètres de l'activation est réalisé en vue de créer dans l'épaisseur de ladite région superficielle de la tranche dont la surface est activée une région perturbée.
Et cette région perturbée est de préférence une région homogène et continue, lorsqu'on parcourt la profondeur de la tranche.
Cependant, alternativement il est possible de créer grâce à l'invention plusieurs régions perturbées dans l'épaisseur de la région superficielle de la tranche dont la surface est activée, chacune desdites régions perturbées s'étendant à une profondeur respective dans l'épaisseur de ladite tranche et avec une épaisseur respective.
L'invention permet d'augmenter de manière sensible l'énergie de collage obtenue après collage de surfaces dont une au moins a été activée selon l'invention.
A cet égard, la figure 4 représente l'énergie de collage (en mJ/m2) obtenue pour quatre activations différentes, toutes réalisées sur une seule des surfaces à coller - en l'occurrence la surface d'une tranche de Si oxydée en surface, puis implantée en vue d'un transfert de couche mince par un procédé de type Smart-CutTM L'autre surface (qui était ici celle d'une tranche de Si) n'a pas été activée dans les exemples illustrés sur cette figure.
Cette figure illustre plus particulièrement l'effet d'un choix judicieux de l'évolution de la puissance d'activation sur l'énergie de collage obtenue (les autres paramètres d'activation étaient les mêmes pour les quatre activations).
Le trait en pointillés dans la partie basse du graphe de cette figure représente le niveau d'énergie de collage qui serait obtenu sans activation.
Chaque activation respective est représentée par la moyenne de plusieurs points de mesures.
De gauche à droite de la figure, les quatre activations illustrées correspondent aux conditions suivantes de puissance: É Puissance de valeur fixe (250 W pendant 30s), É Puissance de valeur fixe (1000 W pendant 30s), É Puissance variable, avec une puissance de 250 W pendant 15s suivie d'une puissance de 1000 W pendant 15 s, É Puissance variable, avec une puissance de 1000 W pendant 15s suivie d'une puissance de 250 W pendant 15 s.
On observe une augmentation sensible de l'énergie de collage dans le quatrième cas.
Cette figure montre ainsi que le contrôle de la puissance peut conduire à une augmentation très sensible de l'énergie de collage.
Elle montre également que cette augmentation est obtenue en mettant en oeuvre une puissance haute dans un premier temps, et une puissance basse dans un deuxième temps.
En effet il est désirable de constituer la partie de la région perturbée qui est la plus profondément enterrée, avant de constituer la partie moins profonde de cette région.
Et le contrôle continu des paramètres d'activation (ici, la puissance) peut permettre de créer de manière continue une région perturbée dont la profondeur et l'épaisseur sont bien contrôlées, tout en gardant homogène cette région perturbée.
Cette augmentation de l'énergie de collage permet notamment de n'activer qu'une seule des surfaces à coller, ce qui constitue un avantage.
Le fait de n'activer qu'une des surfaces à coller correspond en effet à un gain de temps.
Cela permet également de limiter à une seule surface les contaminations métalliques et particulaires générées par l'exposition au plasma, et donc de: É diminuer le niveau global de ces contaminations, É limiter à une seule surface les opérations de nettoyage qui peuvent être nécessaires entre l'activation et le collage.
Par ailleurs, on peut envisager de coller deux surfaces dont une ne supporterait pas une activation plasma, en obtenant une bonne énergie de collage. On peut par exemple coller un substrat recouvert d'un matériau fragile avec une tranche (présentant par exemple en surface du Si ou du SiO2), en activant seulement ladite tranche.
Exemple de réalisation A titre d'exemple non limitatif et en addition des valeurs déjà exposées ci-dessus, on peut réaliser une activation et un collage d'une tranche de Si avec une autre tranche de Si, oxydée en surface, selon la séquence suivante.
É Préparation des deux surfaces à coller (nettoyage humide du type RCA ou autre, polissage, ...), É Activation par plasma d'une des deux surfaces à coller par un traitement double puissance : On pourra utiliser une machine plasma Tokyo Electron Limited (marque déposée) pour tranches de 200mm de diamètre, avec une pression de 50 mTorr sous atmosphère d'O2, un débit d'O2 de 75 sccm, et une puissance de 1000 W pendant 15 secondes puis de 250 W pendant les 15 secondes suivantes, É Nettoyage éventuel des surfaces immédiatement avant collage (rinçage à l'eau désionisée, nettoyage du type RCA ou NH4OH, brossage à l'eau, ...
É Mise en contact des surfaces à coller et initiation du collage, É Renforcement du collage par traitement thermique (basse température par exemple 200 C).
Comme on l'a dit, l'invention peut être mise en oeuvre dans le cadre d'une méthode de transfert par exemple une méthode de type Smart-5 CutTM, pour constituer des tranches multicouches (notamment de type SOI) .
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Claims (36)
1. Procédé de collage de deux tranches réalisées dans des matériaux choisis parmi les matériaux semiconducteurs, ledit procédé mettant en oeuvre une activation plasma de la surface d'au moins une des deux tranches à coller ensemble, caractérisé en ce que lors de l'activation plasma on contrôle les paramètres de l'activation en vue de modifier l'énergie cinétique d'espèces comprises dans le plasma, pour créer dans l'épaisseur d'une région superficielle de la tranche dont la surface est activée une région perturbée d'épaisseur contrôlée.
2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit contrôle des paramètres de l'activation permet également de contrôler la profondeur maximale de ladite région perturbée dans ladite tranche dont la surface est activée.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit contrôle des paramètres de l'activation comprend une variation contrôlée desdits paramètres.
4. Procédé selon l'une des deux revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite région perturbée s'étend dans l'épaisseur de la dite tranche dont las surface est activée entre une profondeur de 10 angstrôms et une profondeur de 250 angstrôms.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce 30 que lesdites espèces sont des ions du plasma.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit contrôle vise à obtenir pour lesdites espèces comprises dans le plasma une énergie cinétique comprise entre 10 eV et 2keV.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit contrôle des paramètres de l'activation comprend le contrôle de l'énergie cinétique par l'intermédiaire du contrôle de la densité de puissance alimentant une électrode reliée à la tranche dont on désire activer la surface.
8. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que on contrôle ladite densité de puissance de manière à réaliser une variation contrôlée de la densité de puissance générant le plasma.
9. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que on fait varier ladite densité de puissance en appliquant dans un premier temps une première puissance dite haute, et en appliquant dans un deuxième temps une deuxième puissance, dite basse et inférieure à la puissance haute.
10. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la variation entre puissance haute et puissance basse est effectuée par paliers de puissance, un palier de puissance correspondant à la puissance haute et un autre palier de puissance correspondant à la puissance basse.
11. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le palier correspondant à la puissance haute et le palier correspondant à la puissance basse sont menés chacun pendant une durée comprise entre 5 et 60 secondes.
12. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le palier correspondant à la puissance haute et le palier correspondant à la puissance basse sont menés chacun pendant une durée comprise entre 10 et 30 secondes
13. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la variation entre puissance haute et puissance basse est effectuée en faisant décroître de manière continue la puissance de la puissance haute jusqu'à la puissance basse.
14. Procédé selon l'une des cinq revendications précédentes, caractérisé en ce que la puissance haute a une valeur comprise entre 1,5 et 15 W par cm2 de surface à activer et la puissance basse a une valeur comprise entre 0,15 et 1,5 W par cm2 de surface à activer.
15. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la puissance haute a une valeur de 3 W par cm2 de surface à activer et la puissance basse a une valeur de 0,8 W par cm2 de surface à activer.
16.Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la surface de la tranche à activer est un disque de 200 mm de diamètre, la puissance haute a une valeur de 1000 W et la puissance basse a une valeur de 250 W.
17. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la surface de la tranche à activer est un disque de 300 mm de diamètre, la puissance haute a une valeur de 2000 W et la puissance basse a une valeur de 500 W.
18. Procédé selon l'une des quatre revendications précédentes, caractérisé en ce que le plasma est généré par une équipement du type RIE 2884966 24 comprenant un générateur RF unique alimentant l'électrode supportant la tranche à activer via un couplage capacitif.
19. Procédé selon l'une des dix revendications précédentes, caractérisé en 5 ce que ladite variation est réalisée sur un intervalle de temps d'une durée comprise entre 10 secondes et 2mn.
20. Procédé selon l'une des treize revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite électrode reliée à la tranche dont on désire activer la 10 surface est utilisée uniquement pour contrôler l'énergie cinétique des espèces du plasma.
21. Procédé selon l'une des revendications 7 à 19, caractérisé en ce que ladite électrode reliée à la tranche dont on désire activer la surface est 15 utilisée à la fois pour contrôler l'énergie cinétique des espèces du plasma, et pour exciter le plasma.
22. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit contrôle des paramètres de l'activation comprend le contrôle 20 de l'énergie cinétique par l'intermédiaire du contrôle de la composition du gaz dans lequel le plasma est créé.
23. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit contrôle de composition du gaz est réalisé pour obtenir une variation 25 contrôlée de la nature du gaz utilisé pour générer le plasma.
24. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite variation consiste à traiter la surface à activer par un plasma obtenu à partir d'un premier gaz, puis par un plasma obtenu à partir d'un deuxième gaz.
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25. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit premier gaz est composé d'espèce(s) plus légère(s) que ledit deuxième gaz.
26. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit premier gaz est de l'hélium et ledit deuxième gaz est de l'oxygène ou de l'argon, ou ledit premier gaz est de l'oxygène et ledit deuxième gaz est de l'argon.
27. Procédé selon la revendication 24 ou 25, caractérisé en ce que le premier et/ou le deuxième gaz sont des mélanges gazeux par exemple des mélanges entre une espèce destinée à être ionisée (Ar ou 02 par exemple) et une espèce destinée à rester neutre (non ionisée), mais permettant de diluer et de doser l'espèce ionisée (cette espèce non ionisée peut par exemple être de l'hélium).
28. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit contrôle des paramètres de l'activation comprend le contrôle de l'énergie cinétique par l'intermédiaire du contrôle de la pression régnant dans le plasma.
29. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit contrôle de la pression est réalisé pour obtenir une variation contrôlée de la pression.
30. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite variation contrôlée de la pression consiste à contrôler la pression à un niveau dit bas dans un premier temps de l'activation, puis à un niveau dit haut, supérieur audit niveau bas, dans un deuxième temps de 30 l'activation.
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31. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit contrôle des paramètres de l'activation est réalisé en vue de créer dans l'épaisseur de ladite région superficielle de la tranche dont la surface est activée une région perturbée unique.
32. Procédé selon l'une des revendications 1 à 30, caractérisé en ce que ledit contrôle des paramètres de l'activation est réalisé en vue de créer plusieurs régions perturbées dans l'épaisseur de ladite région superficielle de la tranche dont la surface est activée, chacune desdites régions perturbées s'étendant à une profondeur respective dans l'épaisseur de ladite tranche.
33. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que on procède pour ledit collage à l'activation plasma de la surface de 15 seulement une des deux tranches à coller ensemble.
34. Procédé de transfert d'une couche mince de matériau semiconducteur d'une tranche top formant substrat donneur vers une tranche base formant substrat receveur, caractérisé en ce que ledit procédé met en oeuvre un collage selon une des revendications précédentes pour coller une surface dudit substrat donneur avec une surface dudit substrat receveur.
35. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit procédé de transfert est réalisé selon la méthode Smart-CutTM mettant en oeuvre une implantation de fragilisation avant le collage pour créer dans l'épaisseur du substrat donneur une zone de fragilisation, et un détachement au niveau de ladite zone de fragilisation après le collage.
36. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que préalablement au collage on active par plasma la surface oxydée dudit substrat donneur après son implantation.
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