FR2905801A1 - Procede de transfert d'une couche a haute temperature - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de transfert d'une couche (4) d'un substrat donneur (1) sur un substrat receveur (6) comprenant:a) une étape (S2) d'implantation ionique d'au moins une espèce dans le substrat donneur (1) destinée à former une couche de microcavités ou platelets,b) une étape (S3) de collage de la face (7) du substrat donneur (1) avec une face (8) du substrat receveur (6) par adhésion moléculaire,c) une étape de détachement à haute température pour détacher la couche (4) en contact avec le substrat receveur (6) par clivage au niveau de la couche de microcavités ou platelets formée dans le substrat donneur (1).Le procédé comprend en outre, une étape de traitement (S1) du substrat donneur (1) pour piéger les atomes de l'espèce implantée lors de l'étape a) jusqu'à une température de libération atteinte lors de l'étape c) de manière à bloquer ou limiter la formation des microcavités ou platelets en dessous de la température de libération.

Description

Domaine technique et art antérieur La présente invention concerne un

procédé de transfert d'une couche d'un substrat donneur sur un substrat receveur utilisé lors de la fabrication d'hétérostructures telles que les structures de type SeOI ("Semiconductor On Insulator") pour des applications électroniques, microélectroniques et optoélectroniques. Une technologie bien connue pour la réalisation d'hétérostructures par transfert de couches est la technologie Smart CutTM. Un exemple de mise en oeuvre de la technologie Smart CutTM est notamment décrit dans le document US 5 374 564 ou dans l'article de A.J. Auberton-Hervé et al. intitulé "Why can Smart-Cut Change the future of microelectronics ?", Int. Journal of High Speed Electronics and Systems, Vol.10, Nol, 2000, p.131-146. Cette technologie met en oeuvre les étapes suivantes: a) Bombardement d'une face d'un substrat donneur (par exemple en silicium) avec des ions légers de type hydrogène ou gaz rares (par exemple hydrogène et/ou hélium) pour implanter ces ions en concentration suffisante dans le substrat, la zone implantée permettant de créer une couche de fragilisation par formation de microcavités ou platelets lors d'un recuit de détachement, b) mise en contact intime (collage) de cette face du substrat donneur avec un substrat receveur, et c) recuit de détachement ("spiitting annealing") pour provoquer, par effet de réarrangement cristallin et de pression dans les microcavités ou platelets formés à partir des espèces implantées, la fracture ou le clivage au niveau de la couche implantée permettant d'obtenir une hétérostructure résultant du transfert de la couche du substrat donneur sur le substrat receveur. Cependant, les hétérostructures ainsi obtenues présentent des défauts non seulement en surface de la couche transférée mais aussi aux interfaces des couches constituant l'hétérostructure.

1 2905801 2 Différents types de défauts de surfaces peuvent apparaître après le transfert d'une couche sur un substrat receveur. Parmi ces défauts, on trouve: de la rugosité de surface, des zones non transférées (ZNT), des cloques, des lacunes ou "Voids", des lacunes de type COV ("Crystal 5 Orientated Voids"), etc. Ces défauts ont diverses origines comme un mauvais transfert, la présence de défauts sous jacents dans les diverses couches de la structure, la qualité du collage aux interfaces ou simplement les différentes étapes qui doivent être mises en oeuvre pour fabriquer de 10 telles structures (implantation d'espèces, traitement thermique, etc.). Afin de remédier à ces problèmes, différentes techniques ont été mises au point comme par exemple des recuits à basse température (notamment décrits dans le document US 2006/0040470), des traitements au plasma permettant d'augmenter les énergies de collage aux interfaces 15 et conduisant à un détachement de la couche à transférer avec peu de défauts. En effet, il est connu que, lors d'un transfert, plus l'énergie de collage entre le substrat donneur et le substrat receveur est forte moins il y aura de défauts dans l'hétérostructure résultante. Les solutions développées, comme le traitement au plasma de la ou des surfaces à 20 coller, permettent de renforcer l'énergie de collage tout en limitant la température du traitement thermique appliqué pour le détachement de manière à limiter la diffusion des contaminants. De même, dans le document 3P2005085964, on cherche à renforcer l'énergie de collage avant le détachement de la couche à transférer en 25 utilisant une étape d'implantation d'hélium et en appliquant ensuite un recuit de détachement à haute température dans des gammes de 800 C à 1100 C. Un autre procédé présenté dans le document US 6 756 286 est destiné à améliorer l'état de surface de la couche transférée après le 30 détachement de cette dernière. Il consiste à former une zone d'inclusions pour confiner les espèces gazeuses issues de l'implantation afin de diminuer la rugosité de surface de la couche détachée en réduisant les doses d'implantation et le budget thermique.

2905801 3 Enfin, dans le document US 6 828 216, on propose d'appliquer un recuit de détachement en deux phases, la première phase permettant d'atteindre le début du décollement de la couche à transférer autour d'une gamme standard de 400 à 500 C ; la deuxième phase permettant la 5 finition du décollement en vue de l'obtention d'un état de surface de bonne qualité avec des températures de fin de recuit se situant vers 600 à 800 C. Cependant, ces techniques actuelles ne sont pas adaptées pour toutes les hétérostructures de type SeOI (semi-conducteur sur isolant) et 10 notamment pour celles comportant une couche d'oxyde isolante fine (UTBOX, "Ultra Thin Buried Oxyde Layer") ou même ne comprenant pas de couche d'oxyde, comme par exemple les hétérostructures de type DSB ("Direct Silicon Bonding"). En effet, avec ce type d'hétérostructure, la couche d'oxyde étant fine 15 ou inexistante, les espèces diffusantes (des gaz par exemple) ne sont pas piégées dans l'épaisseur de la couche d'oxyde et peuvent être à l'origine de nombreux défauts au sein de l'hétérostructure.

20 Résumé de l'invention Pour pallier les inconvénients précités, la présente invention propose une solution qui permet, lors du transfert d'une couche entre un substrat donneur et un substrat receveur, de renforcer l'énergie de collage 25 entre la couche à transférer et, par conséquent, de limiter les défauts dans l'hétérostructure résultante. A cet effet, l'invention concerne un procédé de transfert d'une couche d'un substrat donneur sur un substrat receveur comprenant: a) une étape d'implantation ionique d'au moins une espèce dans 30 le substrat donneur destinée à former une couche de microcavités ou platelets, b) une étape de collage de la face du substrat donneur avec le substrat receveur par adhésion moléculaire, 2905801 4 c) une étape de détachement à haute température pour détacher la couche en contact avec le substrat receveur par clivage au niveau de la couche de microcavités ou platelets formée dans le substrat donneur, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, une étape de 5 traitement du substrat donneur pour piéger les atomes de l'espèce implantée lors de l'étape a) jusqu'à une température de libération atteinte lors de l'étape c) de manière à bloquer ou limiter la formation des microcavités ou platelets dans le substrat donneur en dessous de la température de libération. L'étape de traitement peut être réalisée avant 10 ou après l'étape a). Ainsi, en introduisant une étape de traitement pour piéger les atomes de l'espèce implantée, le procédé de l'invention permet de créer une nouvelle voie réactionnelle de l'espèce implantée qui permet de retarder le détachement de la couche à transférer. En effet, les atomes 15 implantés destinés à former la couche de fragilisation et à provoquer le détachement de la couche à transférer lors du recuit de détachement sont temporairement piégés et ne sont libérés pour former les microcavités ou platelets que lors de l'application d'une température de libération élevée. Comme expliqué plus loin, on a constaté que plus la température est 20 élevée, plus l'énergie de collage se renforce. Ce renforcement est encore plus important pour des températures supérieures aux températures habituellement utilisées dans les recuits de détachement. Par exemple pour le silicium, le traitement de piégeage est choisi de manière à nécessiter une température de libération supérieure aux 25 températures habituellement utilisées dans les recuits de détachement, à savoir une température supérieure à au moins 500 C. Ainsi, en libérant les atomes responsables du détachement à une température supérieure à la température habituellement utilisée pour le détachement, ces derniers ne jouent leur rôle dans le détachement de la couche à transférer qu'à 30 partir d'une température où l'énergie de collage est plus forte, ce qui permet d'obtenir une hétérostructure avec moins de défauts. Selon une première approche de l'invention, l'étape de traitement pour le piégeage de l'espèce implantée est réalisée par introduction dans 2905801 5 le substrat donneur d'au moins une espèce ionique apte à réagir avec l'espèce implantée lors de l'étape a). Ainsi, par création de liaisons et/ou interactions entre les deux espèces, l'espèce réactive va former avec l'espèce utile au détachement 5 des complexes stables. Le développement des atomes implantés permettant de provoquer le clivage est alors retardé tant qu'ils ne sont pas libérés des complexes stables. Pour les dissocier de ceux de l'espèce réactive, il faut appliquer un traitement thermique à une température plus élevée (entre 550 C et 800 C environ) que celles habituellement 10 appliquées pour provoquer le clivage au niveau de la couche de fragilisation. L'application d'une température plus élevée lors du détachement de la couche à transférer permet de renforcer l'énergie de collage et, par conséquent, de limiter l'apparition de défauts après le transfert.

15 Selon un aspect de l'invention, l'introduction de la ou des espèces ioniques aptes à réagir avec l'espèce implantée lors de l'étape a) est réalisée par implantation ionique dans le substrat donneur. L'espèce apte à réagir avec l'espèce implantée lors de l'étape a) peut être choisie notamment au moins parmi le fluor, l'azote et le carbone.

20 Selon un autre aspect de l'invention, l'introduction de la ou des espèces ioniques aptes à réagir avec l'espèce implantée lors de l'étape a) est réalisée par formation d'une couche dopée dans le substrat donneur, celle-ci étant de préférence enterrée dans le substrat. Cette couche peut être déposée ou formée par implantation ionique. Le dépôt de la couche 25 dopée peut être réalisé notamment par dépôt plasma en phase vapeur (PCVD pour "Plasma Chemical Vapor Deposition") ou par dépôt basse pression en phase vapeur (LPCVD pour "Low Pressure Chemical Vapor Deposition"). Dans le cas d'un substrat donneur en silicium, la couche est dopée avec du carbone, du bore, du phosphore, de l'arsenic, de l'indium, 30 ou du gallium. D'une manière générale, les dopants sont choisis en fonction de ta nature du substrat donneur à traiter. Selon une deuxième approche de l'invention, l'étape de traitement pour le piégeage de l'espèce implantée est réalisée par formation de défauts dans te substrat donneur. Cette formation est 2905801 6 réalisée par introduction d'espèces ioniques dans le substrat donneur, comme par exemple au moyen d'une implantation ionique d'hélium, ladite implantation étant suivie d'un traitement thermique pour former des cavités dans la zone implantée avec l'hélium.

5 Les cavités ainsi formées vont piéger les atomes implantés en vue du détachement jusqu'à une température de libération supérieure à la température de détachement habituelle si bien que le détachement de la couche à transférer se produira à une température plus élevée où l'énergie de collage est renforcée, cette température étant comprise entre 10 550 C et 800 C environ. L'implantation ionique d'hélium peut être réalisée avec une énergie d'implantation comprise entre 10 et 150 keV et une dose d'implantation comprise entre 1.1016 atomes/cm2 et 5.1017 atomes/cm2. Le traitement thermique de formation des cavités peut être réalisé à une 15 température comprise entre 450 C et 1000 C pendant une durée comprise entre 30 minutes et 1000 minutes. Selon un aspect de l'invention, le substrat donneur est en matériau semi-conducteur. Il peut être notamment un substrat de silicium, ou de germanium, ou de silicium-germanium, ou de nitrure de gallium, ou 20 d'arséniure de gallium, ou de carbure de silicium. Il peut également s'agir d'un matériau isolant ou de matériaux ferromagnétiques, piézo-électriques et/ou pyro-électriques (par exemple AI203i LiTaO3). De façon optionnelle, les surfaces de collage du substrat donneur et du substrat receveur sont de préférence préalablement traitées de 25 manière à les rendre hydrophobes, le renforcement de l'énergie de collage étant encore plus important en cas de collage hydrophobe. Brève description des figures Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description suivante, faite à titre indicatif et non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels : 30 2905801 7 - la figure 1 montre les variations de l'énergie de collage en fonction de la température, - les figures 2A à 2E sont des vues schématiques en coupe montrant le transfert d'une couche de Si conformément à un mode de 5 mise en oeuvre de l'invention, - la figure 3 est un organigramme des étapes mises en oeuvre dans les figures 2A à 2E, -les figures 4A à 4F sont des vues schématiques en coupe montrant le transfert d'une couche de Si conformément à un autre mode 10 de mise en oeuvre de l'invention, - la figure 5 est un organigramme des étapes mises en oeuvre dans les figures 4A à 4F, - la figure 6 montre la formation de cavités dans un substrat de Si après implantation d'hélium et traitement thermique, 15 - la figure 7 montre une zone épaisse de petites cavités formée dans un substrat de Si après implantation d'hélium et traitement thermique, - la figure 8 montre une zone où des ions d'hydrogène implantés dans un substrat de Si sont piégés entre et autour de cavités 20 formés après implantation d'hélium et traitement thermique. Exposé détaillé de modes de réalisation de l'invention 25 La présente invention s'applique à tout procédé de transfert de couche mettant en oeuvre au moins une implantation ionique d'un substrat donneur pour délimiter par un plan de fragilisation une couche à transférer, le collage du substrat donneur implanté sur un substrat receveur et l'application d'un traitement thermique, appelé recuit de 30 détachement, à haute température afin de détacher la couche à transférer du substrat donneur comme dans la technologie Smart CutTM Le principe de l'invention consiste à augmenter la température du recuit de détachement nécessaire à la formation et le développement de microcavités ou platelets dans la zone implantée pour provoquer la 2905801 8 fracture dans le substrat donneur de manière à augmenter l'énergie de collage à l'interface entre le substrat donneur et le substrat receveur. Typiquement, le recuit de détachement (également appelé "splitting annealing") dans la technologie SmartCutTM pour des susbtrats 5 de type silicium est réalisé dans une gamme de température comprise entre 400 C et 500 C pendant une durée déterminée (le couple température/durée correspond au budget thermique du recuit de détachement). Dans l'ouvrage "Semiconductor wafer bonding: Science and 10 technology" de Q. Y. Tong and U. Gôsele, The Electrochemical Society, Pennington, NJ, 1999, pages 117-118, les variations de l'énergie de collage en fonction de la température ont été mesurées. Les résultats obtenus par les auteurs de l'ouvrage sont présentés à la figure 1 qui montre les variations dans l'énergie de collage entre deux substrats de 15 silicium en fonction de la température, et ce pour des substrats de silicium assemblés soit par un collage hydrophobe (courbe A), soit par un collage hydrophile (courbe B). Au vu de la figure 1, on constate ainsi que: pour un collage hydrophile, l'énergie à l'interface de collage est 20 stable autour de 1250 mJ/m2 à partir de 200 C puis augmente rapidement au-delà de 800 C, tandis que pour un collage hydrophobe, l'énergie de collage augmente de façon exponentielle avec la température. Par conséquent, en augmentant la température du traitement 25 thermique lors du détachement, on renforce l'énergie de collage au moment du transfert de la couche, ce qui permet d'obtenir un détachement d'une couche avec une faible défectivité. On décrit, en référence aux figures 2A à 2E et 3, un procédé de transfert d'une couche conformément à un mode de réalisation de 30 l'invention. Dans ce mode de réalisation, le substrat de départ ou substrat donneur 1 est constitué d'une plaque (ou "wafer") de silicium monocristallin recouvert d'une couche isolante d'oxyde de silicium (SiO2) 2 2905801 9 obtenue par oxydation thermique et présentant une épaisseur d'environ 300 Â. Dans une première étape dite d'implantation d'espèces réactives (étape Si), le substrat 1 est soumis à un bombardement ionique 10 5 d'atomes à travers la face plane 7 du substrat comportant la couche (SiO2) 2. Conformément à l'invention, les atomes implantés sont des atomes choisis parmi des espèces fortement réactives avec les espèces utilisées lors de l'implantation ultérieure réalisée pour le détachement de la couche. A titre d'exemple, avec la technologie Smart CutTM, l'implantation menant 10 au détachement est typiquement réalisée avec des atomes d'hydrogène. Dans ce cas, l'implantation d'espèces réactives peut être réalisée notamment avec des atomes de fluor, d'azote ou de carbone qui sont des espèces connues pour être fortement réactives avec l'hydrogène. Dans le présent exemple, on considère que le substrat donneur 15 est implanté avec des atomes d'hydrogène lors l'étape d'implantation de détachement et avec des atomes de fluor lors de l'étape d'implantation d'espèces réactives. Dans l'étape d'implantation d'espèces réactives, des atomes de fluor sont implantés avec une énergie d'implantation comprise entre 80 et 20 280 keV et une dose d'implantation comprise entre 5.1014 et 2.1015 atomes/cm2. Cette dose est calculée afin d'éviter toute amorphisation du substrat lors de l'implantation. Ces conditions d'implantation permettent de créer, à une profondeur déterminée dans le substrat 1, une couche de concentration d'atomes de fluor 3 (figure 2A).

25 La dose d'implantation est choisie de manière à ce que la concentration des atomes de fluor dans la couche 3 soit suffisante pour créer une couche de défauts auxiliaires au sein du substrat donneur capable de piéger momentanément (i.e. jusqu'à une certaine température) les atomes d'hydrogène implantés ultérieurement lors de l'étape 30 d'implantation de détachement. La dose et l'énergie d'implantation sont également choisies pour que les espèces réactives de la couche 3 se trouvent dans une zone voisine de celle où sera implantée l'hydrogène lors de l'étape d'implantation destinée à former une couche fragilisation pour le détachement.

2905801 10 Dans le cas d'une implantation de fluor, les défauts auxiliaires formés sont par exemple des cavités, des défauts de type {113}, des boucles de dislocations ("dislocation loops") qui vont permettre de retenir l'hydrogène implanté par la suite en formant entre les atomes de fluor et 5 d'hydrogène des complexes stables comme des liaisons H-F. De même, une implantation réalisée avec des atomes de carbone ou d'azote entraîne la formation de défauts auxiliaires dans le substrat donneur et permettra le piégeage des atomes d'hydrogène implantés ultérieurement par formation de complexes stables comme des liaisons 10 C-H ou N-H. Une fois l'implantation d'espèces réactives terminée, on réalise l'étape d'implantation habituellement mise en oeuvre en vue du détachement de la couche du substrat donneur (étape S2, figure 2B). L'étape d'implantation d'espèces réactives peut être aussi réalisée 15 après l'étape d'implantation de détachement (étape Si'). Dans cette étape d'implantation de détachement, le substrat 1 est soumis à un bombardement ionique 20 d'ions hydrogène H+. L'implantation des ions H+ est réalisée par exemple avec une énergie d'implantation pouvant être comprise entre 20 et 250 keV et une dose 20 d'implantation comprise environ entre 3.1016 et 6.1016 atomes/cm2, de préférence 5,5.1016 atomes/crn2. La dose d'implantation est choisie de manière à ce que la concentration des ions H+ soit suffisante pour former et développer une couche de microcavités ou de platelets lors d'une étape de traitement thermique ultérieure délimitant, d'une part, une couche ou 25 film mince 4 dans la région supérieure du substrat 1 et, d'autre part, une portion 5 dans la région inférieure du substrat correspondant au reste du substrat 1. La plupart des ions H+ implantés sont piégés au niveau de la couche 3 en formant des complexes stables avec les atomes de fluor 30 présents dans les défauts de la couche 3. La formation/développement des microcavités ou des platelets responsable du détachement est alors retardé tant que l'hydrogène implanté n'est pas disponible pour pressuriser les microcavités et les platelets.

2905801 11 Le substrat donneur 1 est ensuite collé par adhésion moléculaire, sur un substrat receveur 6, par exemple une plaque de silicium (étape S3, figure 2C). Le principe du collage par adhésion moléculaire est bien connu en soi et ne sera pas décrit plus en détail. Pour rappel, le collage par 5 adhésion moléculaire est basé sur la mise en contact direct de deux surfaces, c'est-à-dire sans utilisation d'un matériau spécifique (colle, cire, métal à basse température de fusion, etc.), les forces attractives entre les deux surfaces étant assez élevées pour provoquer l'adhérence moléculaire (collage induit par l'ensemble des forces attractives (forces de Van Der Io Waals) d'interaction électronique entre atomes ou molécules des deux surfaces à coller). Comme indiqué précédemment avec la figure 1, l'énergie de collage augmente avec la température notamment en raison du fait qu'au-delà d'une certaine température la majorité des liaisons entre les deux 15 surfaces mises en contact correspond à des liaisons covalentes. Par ailleurs, comme indiqué sur la figure 1, l'énergie de collage augmente plus fortement avec la température, en particulier au-delà de 550 C, lorsque le collage est un collage hydrophobe, c'est-à-dire lorsque les surfaces des substrats à coller ont été préalablement rendues hydrophobes. Les 20 surfaces de deux substrats, par exemple en silicium, peuvent être rendues hydrophobes en plongeant les deux substrats dans un bain chimique de nettoyage HF (acide fluorhydrique). Les surfaces de collage 7 et 8 respectivement du substrat donneur 1 et du substrat receveur 6 sont donc de préférence traitées préalablement avant le collage de manière à être 25 rendues hydrophobes. Après l'étape de collage, on procède au détachement de la couche 4 du substrat 1 par application d'un traitement thermique ou recuit de détachement aboutissant au clivage du substrat au niveau de la zone d'implantation des ions H+ (étape S4, figure 2D).

30 Toutefois, à la différence des températures habituellement rencontrées dans les budgets thermiques de recuit détachement au sein des substrats en silicium (températures comprises typiquement entre 400 et 500 C), la température du budget thermique lors du détachement doit être ici plus importante en raison du piégeage de l'hydrogène par le fluor.

2905801 12 En effet, l'application d'un fort budget thermique, c'est-à-dire avec des températures supérieures à 500 C, est nécessaire pour permettre la dissociation des complexes formés (rupture des liaisons H-F) et rendre l'hydrogène implanté disponible pour la formation et le développement des 5 microcavités/platelets responsables du détachement. L'hydrogène ne peut remplir son rôle d'espèce de détachement sous l'effet d'un traitement thermique qu'une fois dissocié des complexes stables. Puisque l'hydrogène n'est libéré qu'au-delà d'une température supérieure aux températures habituellement utilisées pour provoquer le détachement, les effets 10 responsables de la séparation entre la couche à transférer et le reste du substrat donneur (effet de réarrangement cristallin et de pression dans les microcavités/platelets) sont produits à des températures également plus élevées qu'habituellement (températures supérieures à 500 C). Par conséquent, le détachement de la couche à transférer intervient à des 15 températures où l'énergie de collage est plus forte qu'avec les températures habituellement rencontrées dans les traitements thermiques de détachement, ce qui permet de minimiser les défauts présents à l'interface de collage, de diminuer, voire d'éliminer, les espèces diffusantes et d'obtenir ainsi une couche transférée de meilleure qualité.

20 Une étape de polissage classique (polissage mécano-chimique) est ensuite réalisée pour éliminer la zone perturbée et pour réduire le niveau de rugosité de la surface fracturée 9 de la couche 4 transférée (étape S5, figure 2E). La zone perturbée peut être également éliminée par une attaque (gravure) chimique sélective éventuellement suivie d'un 25 polissage pour améliorer la rugosité de surface. Un traitement thermique sous hydrogène et/ou argon peut également être réalisé seul ou en combinaison avec le polissage. Selon une variante de mise en oeuvre, l'introduction dans le substrat d'une ou plusieurs espèces ioniques aptes à réagir avec l'espèce 30 implantée pour former des complexes stables comme décrit précédemment peut être réalisée par formation d'une couche dopée dans le substrat donneur. Cette couche peut être déposée ou formée par implantation ionique. Le dépôt de la couche dopée peut être aussi réalisé notamment par dépôt plasma en phase vapeur (PCVD pour "Plasma 2905801 13 Chemical Vapor Deposition") ou par dépôt basse pression en phase vapeur (LPCVD pour "Low Pressure Chemical Vapor Deposition"). Dans le cas d'un substrat donneur en silicium, la couche est dopée avec du carbone, du bore, du phosphore, de l'arsenic, de l'indium, ou du gallium. D'une 5 manière générale, les dopants sont choisis en fonction de la nature du substrat donneur à traiter. Les figures 4A à 4F et 5 illustrent un autre mode de réalisation d'un procédé de transfert de couche conformément à l'invention. Cette mise en oeuvre diffère de celle décrite précédemment en ce qu'au lieu de 10 piéger la ou les espèces de détachement implantées par formation de complexes stables, celles-ci sont piégées dans des cavités formées préalablement avant l'étape d'implantation de détachement. Le substrat de départ 11 est constitué d'une plaque (ou "wafer") de silicium monocristallin recouvert d'une couche d'oxyde de silicium 15 (SiO2) 12 obtenue par oxydation thermique et présentant une épaisseur d'environ 300 Â. Dans une première étape d'implantation (étape S10), le substrat 11 est tout d'abord soumis à un bombardement ionique 30 d'ions hélium He à travers la face plane 17 du substrat 11 comportant la couche (SiO2) 20 11. L'implantation des ions He est réalisée avec une énergie d'implantation comprise entre 10 et 150 keV, ici de préférence 50 keV et une dose d'implantation comprise entre 1.1016 atomes/cm2 et 5.1017 atomes/cm2, ici de préférence 5.1016 atomes/cm2. Ces conditions d'implantation permettent de créer, à une profondeur déterminée dans le substrat 11, 25 une couche de concentration d'ions He 13 (figure 4A). Conformément à l'invention, on procède ensuite à une étape de traitement thermique permettant le développement et/ou la formation de défauts sous forme de cavités au niveau de la couche de concentration d'ions He 13 (étape S20, figure 4B). Ces cavités vont constituer des 30 réservoirs pour piéger momentanément l'espèce de détachement implantée dans l'étape suivante. Le traitement thermique est réalisé dans une gamme de température allant de 450 C à 1000 C, ici de préférence 600 C, pendant une durée allant de 30 minutes à 1000 minutes, ici de préférence 1 heure.

2905801 14 La figure 6 montre des cavités formées dans un substrat de silicium après une implantation d'hélium réalisée avec une énergie d'implantation d'environ 50 keV et une dose d'implantation d'environ 1.1016 atomes/cm2 suivie d'un traitement thermique effectué à 600 C 5 pendant 1 heure. Les conditions d'implantation ainsi que le budget thermique lors de la formation descavités de piégeage sont déterminés en fonction du type d'implantation (espèce, énergie/dose d'implantation) réalisée pour la formation de la couche de fragilisation en vue du détachement, et ce afin 10 de favoriser au maximum les réactions de piégeage. Ainsi, suivant les types d'implantation à réaliser en vue du détachement, on formera soit une zone épaisse de petites cavités/réservoirs de piégeage, soit une zone plus fine avec des cavités/réservoirs de piégeage plus gros. A titre d'exemple, la figure 7 montre un substrat de silicium comportant une zone 15 épaisse (i.e. environ 200 nm) contenant de nombreuses petites cavités obtenues après une implantation d'hélium réalisée avec une énergie d'implantation d'environ 50 keV et une dose d'implantation d'environ 5.1016 atomes/cm2 suivie d'un traitement thermique effectué à 600 C pendant 1 heure. L'épaisseur de cette zone ainsi que la taille des cavités 20 sont particulièrement bien adaptées pour le piégeage d'ions d'hydrogène implantés avec une énergie d'implantation d'environ 30 keV et une dose d'implantation d'environ 5,5.1016 atomes/cm2. Une fois la formation des cavités de piégeage terminée, on réalise l'étape d'implantation habituellement mise en oeuvre en vue du 25 détachement de la couche du substrat donneur (étape S30, figure 4C). Dans cette étape d'implantation, le substrat 11 est soumis à un bombardement ionique 40 d'ions hydrogène H+. Dans l'exemple ici considéré, l'implantation des ions H+ est réalisée par exemple avec une énergie d'implantation d'environ 30 keV et une dose d'implantation 30 d'environ 5,5.1016 atomes/cm2. La dose d'implantation est choisie de manière à ce que la concentration des ions H+ soit suffisante pour former et développer une couche de microcavités ou de platelets lors d'une étape de traitement thermique ultérieure délimitant, d'une part, une couche ou film mince 14 dans la région supérieure du substrat 11 et, d'autre part, 2905801 15 une portion 15 dans la région inférieure du substrat correspondant au reste du substrat 11. La plupart des ions H+ implantés sont piégés au niveau de la couche 13 car ils vont facilement se loger dans ou autour des cavités de 5 piégeage créées précédemment. La figure 8 montre une zone d'un substrat de silicium ayant subi, en vue du détachement, une implantation d'ions hydrogène réalisée avec une énergie d'implantation d'environ 30 keV et une dose d'implantation d'environ 1.1016 atomes/cm2 et après la formation d'une ligne de cavités formées par implantation d'hélium 10 réalisée avec une énergie d'implantation d'environ 50 keV et une dose d'implantation d'environ 1.1016 atomes/cm2 suivie d'un traitement thermique effectué à 600 C pendant 1 heure. On remarque que les ions d'hydrogène sont piégés dans et entre les cavités. Le substrat donneur 1 est ensuite collé par adhésion moléculaire, 15 sur un substrat receveur 16, par exemple une plaque de silicium (étape S40, figure 4D). Les surfaces de collage 17 et 18 respectivement du substrat donneur 11 et du substrat receveur 16 sont de préférence traitées préalablement avant le collage de manière à être rendues hydrophobes.

20 Après l'étape de collage, on procède au détachement de la couche 14 du substrat 11 par application d'un traitement thermique de détachement aboutissant au clivage du substrat au niveau de la zone d'implantation des ions H+ (étape S50, figure 4E). Toutefois, à la différence des températures habituellement 25 rencontrées dans les budgets thermiques de recuit de détachement au sein des substrats de type silicium (températures comprises typiquement entre 400 et 500 C), la température du budget thermique lors du détachement doit être ici plus importante pour libérer l'hydrogène piégé dans les cavités. L'application d'un fort budget thermique, c'est-à-dire 30 avec des températures supérieures à 500 C, nécessaire pour rendre l'hydrogène implanté disponible pour la formation et le développement des microcavités/platelets responsables du détachement, permet de renforcer l'énergie de collage au moment du détachement. En effet, puisque l'hydrogène n'est libéré qu'au-delà d'une température supérieure aux 2905801 16 températures habituellement utilisées pour provoquer le détachement, les effets responsables de la séparation entre la couche à transférer et le reste du substrat donneur (effet de réarrangement cristallin et de pression dans les rnicrocavités/platelets) sont produits à des températures 5 également plus élevées qu'habituellement (températures supérieures à 500 C). Par conséquent, le détachement de la couche à transférer intervient à des températures où l'énergie de collage est plus forte qu'avec les températures habituellement rencontrées dans les traitements thermiques de détachement, ce qui permet de minimiser les défauts 10 présents à l'interface de collage, de diminuer, voire d'éliminer, les espèces diffusantes et d'obtenir ainsi une couche transférée de meilleure qualité. Une étape de polissage classique (polissage mécano-chimique) est ensuite réalisée pour éliminer la zone perturbée et pour réduire le niveau de rugosité de la surface fracturée 19 de la couche 14 transférée 15 (étape S60, figure 4F). La zone perturbée peut être également éliminée par une attaque (gravure) chimique sélective éventuellement suivie d'un polissage pour améliorer la rugosité de surface et/ou d'un traitement thermique sous hydrogène et/ou argon. En augmentant la température nécessaire pour provoquer la 20 fracture dans le substrat donneur implanté, le procédé de l'invention permet de renforcer l'énergie de collage au moment du détachement et de minimiser les défauts dans l'hétérostructure résultante. Le procédé de l'invention est notamment avantageux lors de la fabrication des hétérostructures de type SeOI (semi-conducteur sur isolant) et en 25 particulier celles comportant une couche d'oxyde isolante fine (UTBOX, "Ultra Thin Buried Oxyde Layer") ou même ne comprenant pas de couche d'oxyde, comme par exemple les hétérostructures de type DSB ("Direct Silicon Bonding"). En effet, le piégeage temporaire des espèces implantées pour le 30 détachement va modifier les vitesses des flux de dégazage. En retenant le maximum de gaz dans le substrat avant le détachement, on diminue d'autant les flux "préjudiciables" à la qualité de l'interface de collage.

Claims (20)

REVENDICATIONS

1. Procédé de transfert d'une couche (4; 14) d'un substrat donneur (1; 11) sur un substrat receveur (6; 16) comprenant: a) une étape d'implantation ionique d'au moins une espèce dans le substrat donneur (1; 11) destinée à former une couche de microcavités ou platelets, b) une étape de collage de la face (7; 17) du substrat donneur (1; 11) avec une face (8; 18) du substrat receveur (6; 16) par adhésion 10 moléculaire, c) une étape de détachement à haute température pour détacher la couche (4; 14) en contact avec le substrat receveur (6; 16) par clivage au niveau de la couche de microcavités ou platelets formée dans le substrat donneur (1; 11), 15 caractérisé en ce qu'il comprend en outre, une étape de traitement du substrat donneur (1; 11) pour piéger les atomes de l'espèce implantée lors de l'étape a) jusqu'à une température de libération atteinte lors de l'étape c) de manière à bloquer ou limiter la formation des microcavités ou platelets en dessous de la température de libération. 20

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de libération est d'au moins 500 C.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que 25 l'étape de traitement est réalisée avant ou après l'étape a).

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étape de traitement est réalisée par introduction dans le substrat donneur (1) d'au moins une espèce ionique apte à réagir 30 avec l'espèce implantée lors de l'étape a).

5. Procédé selon la revendications 4, caractérisé en ce que l'introduction dans le substrat donneur (1) d'au moins une espèce ionique 2905801 18 apte à réagir avec l'espèce implantée lors de l'étape a) est réalisée par implantation ionique.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'espèce 5 apte à réagir avec l'espèce implantée lors de l'étape a) est choisie au moins parmi le fluor, l'azote et le carbone.

7. Procédé selon la revendications 4, caractérisé en ce que l'introduction dans le substrat donneur (1) d'au moins une espèce ionique apte à réagir avec l'espèce implantée lors de l'étape a) est réalisée par formation d'une couche dopée dans le substrat donneur.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la formation de la couche dopée est réalisée par dépôt ou par implantation 15 ionique.

9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la couche dopée comprend au moins une espèce ionique choisie parmi le carbone, le bore, le phosphore, l'arsenic, l'indium et le gallium.

10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que l'espèce implantée lors de l'étape a) est de l'hydrogène. 25

11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que, lors de l'étape c), le traitement thermique est réalisé à une température comprise entre 550 C et 800 C environ.

12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 30 caractérisé en ce que l'étape de traitement est réalisée par formation de défauts dans le substrat donneur (1).

13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé la formation des défauts est réalisée par une implantation ionique d'hélium dans le substrat 20 2905801 19 donneur (11), ladite implantation étant suivie d'un traitement thermique pour former des cavités dans la zone implanté avec l'hélium.

14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce 5 l'implantation ionique d'hélium est réalisée avec une énergie d'implantation comprise entre 10 et 150 keV et une dose d'implantation comprise entre 1.1016 atomes/cm2 et 5.1017 atomes/cm2.

15. Procédé selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce le 10 traitement thermique de formation des cavités est réalisé à une température comprise entre 450 C et 1000 C pendant une durée comprise entre 30 minutes et 1000 minutes.

16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que, lors de l'étape c), le traitement thermique est réalisé à une température de 700 C environ pendant une durée de 30 minutes environ.

17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, 20 caractérisé en ce que l'espèce implantée lors de l'étape a) est choisie au moins parmi l'hydrogène et l'hélium.

18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que, dans l'étape b), les surfaces de collage (7; 17; 8; 25 18) du substrat donneur (1; 11) et du substrat receveur (6; 16) sont préalablement traitées de manière à les rendre hydrophobes.

19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que le substrat donneur (1; 11) est en matériau semi-30 conducteur.

20. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que le substrat donneur (1; 11) est en matériau ferromagnétique et/ou piézoélectrique et/ou pyroélectrique.