FR2912259A1 - Procede de fabrication d'un substrat du type "silicium sur isolant". - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un substrat (6) de type "silicium sur isolant", comprenant une couche mince de silicium (11) dont la rugosité de surface est uniforme et une couche de SiO2 enterrée dont l'épaisseur est uniforme.Ce procédé est remarquable en ce qu'il comprend les étapes suivantes qui consistent à :a) co-implanter des espèces atomiques ou ioniques dans un substrat source (1) en silicium, de façon à y former une zone fragilisée (10) qui délimite ladite couche mince (11) d'un reste (12),b) coller ce substrat source (1) et un substrat (3) par adhésion moléculaire, une couche (2) d'oxyde de silicium (SiO2) étant intercalée entre les deux,c) et/ou détacher ledit reste (12) le long de la zone fragilisée (10), de façon principalement mécanique,d) procéder à au moins une étape de finition de ladite couche mince de silicium (11) par recuit thermique long, sous une atmosphère gazeuse d'hydrogène et/ou d'argon, à une température supérieure ou égale à 950 degres C et inférieure ou égale à 1100 degres C.

Description

La présente invention se rapporte au domaine des procédés de fabrication

de substrats connus sous l'acronyme "SOI", d'après la terminologie anglaise de "Silicon On Insulator" qui signifie "silicium sur isolant". Un tel substrat comprend une couche d'oxyde de silicium (SiO2) 5 enterrée entre un substrat massif en silicium et une couche mince de silicium. Ces substrats sont destinés à être utilisés dans les domaines de l'électronique, l'optique ou l'optoélectronique. L'invention concerne plus particulièrement les étapes de finition de ces substrats. 10 On connaît déjà d'après le document US 2003/0181001, un exemple de procédé de fabrication d'un substrat SOI. Conformément à ce procédé, on procède à une implantation simple d'ions hydrogène ou d'ions d'un autre gaz rare dans un substrat oxydé en surface, afin d'y former un plan de fragilisation. On colle ensuite ce substrat sur un support, 15 puis l'on procède à un recuit à des températures comprises entre 400 C et 600 C, pour détacher une couche active issue de ce substrat implanté et la reporter sur le support. Afin de diminuer la rugosité de cette couche active, on procède ensuite à un recuit de finition dans une atmosphère contenant de l'hydrogène, un gaz 20 inerte ou un mélange des deux gaz, à une température comprise entre 1100 C et 1350 C. Cette gamme de température est choisie afin d'une part de limiter le temps de recuit, et d'autre part d'éviter des contaminations par des impuretés, telles que des métaux lourds. Ce document précise que le traitement thermique précité peut être 25 effectué par une technique dite "de recuit long", pendant une durée comprise entre 10 minutes et 8 heures ou par une technique connue de l'homme du métier sous l'appellation de "recuit thermique rapide RTA", d'après l'acronyme de l'expression anglaise "Rapid Thermal Annealing". Dans ce dernier cas, ce procédé est mis en oeuvre dans un appareil de recuit RTA, qui permet d'obtenir des montées en 30 température supérieures à 10 C/s et des durées de recuit relativement courtes, de l'ordre de 30 secondes à 1 minute. Enfin, cette étape de recuit peut être suivie d'une étape d'oxydation sacrificielle.

Le procédé décrit dans ce document présente toutefois plusieurs inconvénients exposés ci-après, à savoir, la dissolution partielle de la couche d'oxyde enterrée et le caractère inhomogène de la diminution de la rugosité de la couche active de silicium.

L'application d'un recuit de plusieurs heures, dans les gammes de température proposées qui peuvent atteindre 1350 C, conduit à la dissolution au moins partielle de la couche d'oxyde de silicium (SiO2) enterrée, par effet de diffusion de l'oxygène formant le dioxyde de silicium et par évaporation de cet oxygène à la surface de la couche active de silicium.

Pour des températures de recuit élevées, supérieures à 1200 C environ, le phénomène de dissolution est également lié à l'augmentation de la dissolubilité de l'oxygène dans le silicium et, en conséquence, sa dissolution dans le substrat massif et la couche active de silicium. Cet effet est encore plus notable pour des couches minces de silicium 15 d'une épaisseur inférieure à 200 nanomètres. De plus, la diffusion de l'oxygène n'est pas homogène à travers la couche active. En conséquence, le substrat SOI obtenu comporte une couche d'oxyde enterrée dont l'épaisseur est mal contrôlée, c'est-à-dire à la fois inférieure à celle normalement attendue en l'absence du phénomène de diffusion précité et de 20 plus non uniforme sur toute la surface du substrat. Des tests ont été effectués afin de mesurer ces défauts. Les résultats sont reportés sur la figure 1 jointe qui représente en ordonnées l'épaisseur Es;o2 de la couche enterrée de dioxyde de silicium d'un substrat SOI après recuit thermique et en abscisses l'épaisseur moyenne Es; de la 25 couche active de silicium avant recuit. Les épaisseurs sont exprimées en nanomètres. Les courbes a, b et c représentent respectivement les résultats obtenus après des recuits à des températures de 1100 C, 1150 C et 1200 C. D'autres résultats complémentaires sont reportés sur la figure 2 jointe 30 qui représente en ordonnées la variation d'uniformité standard Os;o2 au cours du recuit de cette même couche enterrée de dioxyde de silicium et en abscisse l'épaisseur Es; de la couche active de silicium avant recuit, exprimée en nanomètres. Les courbes d, e et f représentent respectivement les résultats obtenus après des recuits à des températures de 1100 C, 1150 C et 1200 C.

Un recuit à 1200 C par exemple est un recuit au cours duquel la température monte progressivement pendant plusieurs heures, puis est maintenue pendant 5mn à 1200 C. Comme on peut le voir sur la figure 1, plus la température de recuit est élevée et plus l'épaisseur du SiO2 diminue, pour une épaisseur de couche active de silicium donnée. Par ailleurs, plus l'épaisseur de la couche active de silicium est faible et plus cet effet se fait sentir, notamment pour un recuit au-delà de 1100 C. Ainsi, après un recuit à 1200 C (voir courbe c)) et pour des épaisseurs de couche active de silicium supérieures à 200 nanomètres, on observe une diminution de l'épaisseur du SiO2 de l'ordre de 6 nanomètres (par rapport à la courbe a)) et ce, sans dégradation importante de l'uniformité de l'épaisseur de cet oxyde (voir figure 2). Par "uniformité d'épaisseur", on désigne l'écart maximum d'épaisseur de la couche enterrée de SiO2, au sein de la plaque de SOI. Une telle uniformité acceptable et courante est de 1 à 1,5 nm pour une couche de SiO2 de 145 nm d'épaisseur moyenne. Par ailleurs, la "variation d'uniformité d'épaisseur" sur le produit final correspond à la variation entre les valeurs d'uniformité d'épaisseur, mesurées respectivement avant et après le recuit. La valeur de 0 % de la variation d'uniformité sur la figure 2 correspond au cas où il n'y a pas de changement de l'uniformité d'épaisseur. Celle-ci est restée identique à celle de la couche de SiO2 avant le recuit, c'est-à-dire de l'ordre de 1 à 1,5 nm pour une couche de SiO2 dont l'épaisseur avant recuit était de 145 nm. Par contre, pour une couche active de silicium dont l'épaisseur est inférieure à 100 nanomètres, la diminution de l'épaisseur de la couche de SiO2 dépasse 10 nanomètres (voir figure 1) et la variation de l'uniformité peut atteindre 500 % de la valeur de l'uniformité initiale de 1 à 1,5 nm considérée comme acceptable, comme on peut le constater avec la courbe f, c'est-à-dire atteindre 5 à 7,5 nm.

Sur la figure 2, on constate également que ce phénomène de perte d'uniformité de l'épaisseur de l'oxyde enterré est encore plus important pour des substrats SOI dont la couche mince de silicium est inférieure à 60 nm. De plus, d'autres tests effectués ont montré que les recuits longs dans une atmosphère contenant de l'hydrogène et/ou de l'argon ne sont pas complètement efficaces pour minimiser la rugosité à la surface de la couche active de silicium et surtout pour la minimiser de manière homogène.

On sait également, d'après le document US 2003/0134489, qu'une fracture dans un substrat, obtenue par une implantation suivie d'un recuit de détachement, conduit à la formation sur la surface de la couche mince détachée, d'une zone localisée particulièrement rugueuse et endommagée, dénommée ci-après et dans la suite de la description "zone dense". Cette zone dense est située sur le bord de la plaque de substrat. Elle correspond à la zone où est initié le détachement, c'est-à-dire également à la zone qui se trouve à l'endroit le plus chaud du four dans lequel est réalisé le recuit de détachement. Cet effet est particulièrement notable lorsque le détachement est effectué de façon purement thermique et que l'espèce implantée consiste uniquement en des ions H+. Typiquement, après un premier recuit de lissage rapide, on a pu observer que la rugosité mesurée au niveau de la zone dense pouvait atteindre 30% de plus que sur le reste de la plaque. La solution technique à ce problème qui consiste à effectuer des recuits thermiques longs et/ou à haute température, afin de minimiser la rugosité au niveau de la zone dense n'est pas appropriée car elle renforce encore le phénomène de dissolution de l'oxyde mentionné précédemment. L'invention vise à résoudre les inconvénients précités de l'état de la technique.

Elle a notamment pour but de fournir un procédé de fabrication qui permette d'obtenir un substrat "SOI" dont la couche mince active de silicium présente une rugosité de surface uniforme, et de préférence la plus faible possible, tout en ayant une couche d'oxyde enterrée d'épaisseur homogène. A cet effet, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un 25 substrat de type "silicium sur isolant" (SOI), comprenant les étapes suivantes qui consistent à : a) implanter des espèces atomiques ou ioniques dans un substrat en silicium dit "source", de façon à y former une zone fragilisée qui délimite ladite couche mince du reste du substrat source, 30 b) coller ce substrat source et un substrat dit "receveur", par adhésion moléculaire, une couche d'oxyde de silicium (SiO2) étant intercalée entre les deux, c) détacher ledit reste du substrat source le long de la zone fragilisée, de façon à obtenir un substrat SOI comprenant le substrat receveur en 35 silicium, recouvert d'une couche de dioxyde de silicium et d'une couche mince de silicium, d) procéder à une ou des étapes de finition de ladite couche mince de silicium dont au moins une étape de recuit thermique long, pendant une durée d'au moins 10 minutes, sous une atmosphère gazeuse comprenant de l'hydrogène et/ou de l'argon.

Conformément à l'invention, on effectue l'étape a) par coimplantation d'espèces atomiques ou ioniques et/ou on effectue l'étape c) par un détachement principalement mécanique, et la ou lesdites étapes de recuit long sont toutes effectuées à une température supérieure ou égale à 950 C et inférieure ou égale à 1100 C.

Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou en combinaison : - les étapes de finition comprennent au moins une oxydation sacrificielle de la surface libre de ladite couche mince, suivie d'une désoxydation de façon à éliminer l'épaisseur de matériau endommagée par l'étape de détachement c) ; -l'étape a) consiste à effectuer une co-implantation d'hydrogène et d'hélium ; - le détachement de l'étape c) est initié par une action mécanique au niveau de la zone fragilisée ; - le détachement de l'étape c) est effectué par : • application d'un traitement thermique de développement de la fragilisation de la zone fragilisée, sans initiation du détachement thermique du reste du substrat source, • et application d'une impulsion provoquant le détachement auto-25 entretenu du reste du substrat donneur ; - il consiste à former la couche d'oxyde de silicium (SiO2) par oxydation thermique du substrat donneur et/ou du substrat receveur et à coller les deux substrats l'un avec l'autre, de façon que ladite couche d'oxyde de silicium (SiO2) se trouve à l'interface ; 30 - l'oxydation sacrificielle est réalisée par voie sèche ou par voie humide, à une température comprise entre 700 C et 1100 C ; - le recuit de l'étape d) est effectué pendant une durée maximale de 15 heures ; - ladite couche mince de silicium présente sur toute son étendue, une 35 rugosité de surface inférieure à 3 angstrôms RMS pour une surface de balayage de 30 mx30 m; - l'épaisseur de la couche mince de silicium est inférieure ou égale à 200 nanomètres ; - l'épaisseur de la couche d'oxyde de silicium SiO2 enterrée est inférieure ou égale à 50 nanomètres ; - l'uniformité de l'épaisseur de la couche d'oxyde de silicium SiO2 enterrée est inférieure ou égale à 1,8 nm. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront de la description qui va maintenant en être faite, en référence aux dessins annexés, qui en représentent, à titre indicatif mais non limitatif, un mode de réalisation possible.

Sur ces dessins : - la figure 1 est un graphique représentant l'épaisseur Es;o2 après recuit de la couche de dioxyde de silicium d'un substrat de type SOI, en fonction de l'épaisseur Es; de la couche mince de silicium avant recuit, et ce, pour des traitements thermiques effectués à différentes températures et conformément à l'état de la technique, - la figure 2 est un graphique représentant la variation d'uniformité d'épaisseur LS;O2 au cours du recuit de la couche de dioxyde de silicium d'un substrat de type SOI, en fonction de l'épaisseur Es; de la couche mince de silicium avant recuit, et ce, pour des traitements thermiques effectués à différentes températures et conformément à l'état de la technique, - les figures 3A à 3H sont des schémas représentant les différentes étapes du procédé conforme à l'invention, et - la figure 4 est un graphique représentant les valeurs de la rugosité R de surface de substrats SOI de deux lots de substrats, obtenus respectivement par un procédé de l'état de la technique et par le procédé conforme à l'invention, les résultats apparaissant en traits fins représentant les résultats de mesures effectuées au centre des substrats et les résultats en traits gras représentant les résultats de mesures effectuées sur le bord desdits substrats. Ce procédé va maintenant être décrit plus en détails.

Il comprend une première série d'étapes de formation, de détachement et de transfert d'une couche mince, sur un substrat receveur, illustrée sur les figures 3A à 3D et une seconde série d'étapes de finition illustrée sur les figures 3E à 3H. La figure 3A représente un substrat donneur 1 en silicium (Si), de 35 préférence monocristallin, recouvert d'une couche 2 de dioxyde de silicium (SiO2), dont la surface libre porte la référence numérique 20.

La couche d'oxyde 2 peut résulter d'une oxydation thermique du substrat source 1 ou avoir été formée par dépôt, classiquement par l'une des techniques de dépôt chimique en phase vapeur, connues de l'homme du métier, sous les acronymes de "CVD" (d'après la terminologie anglaise de "Chemical Vapor Deposition") ou de "LPCVD" (d'après la terminologie anglaise de "Low Pressure Chemical Vapor Deposition"). La figure 3A représente également un substrat receveur 3, en silicium, mono ou polycristallin. Comme on peut le voir sur la figure 3B, le substrat donneur 1 est 10 ensuite soumis à une implantation d'espèces atomiques ou ioniques au travers de la couche d'oxyde 2. Par implantation d'espèces atomiques ou ioniques, on entend tout bombardement de ces espèces, susceptible de les introduire dans le substrat donneur, avec une concentration maximale à une profondeur prédéterminée du 15 substrat par rapport à la surface 20 bombardée, en vue d'y créer une zone de fragilisation 10. Ce type d'implantation peut être effectué par exemple selon le procédé connu sous la dénomination Smart Cut . On trouvera de plus amples détails concernant ce procédé dans le document "Silicon-on-insulator technology: materials to VLSI", seconde édition, de 20 Jean-Pierre COLINGE chez "Kluwer Academic Publishers", page 50 et 51. La zone de fragilisation 10 délimite une couche mince 11 du reste 12 du substrat source 1. L'implantation d'espèces atomiques ou ioniques peut être une implantation simple, c'est-à-dire une implantation d'une seule espèce atomique, telle 25 que par exemple une implantation d'hydrogène, d'hélium ou de gaz rare. L'implantation peut également être une co-implantation d'espèces atomiques ou ioniques, c'est-à-dire une implantation successive d'au moins deux espèces différentes, telle que par exemple une co-implantation d'hydrogène et d'hélium. Le choix de l'une ou l'autre de ces implantations sera expliqué ultérieurement. A titre d'exemple, on peut utiliser les conditions d'implantation suivantes : -implantation d'hydrogène uniquement : La dose d'implantation est de préférence comprise entre 4.1016 H+/cm2 et 7.1016 H+/cm2 et l'énergie d'implantation entre 20 keV et 100 keV. 30 35 - co-implantation d'hélium et d'hydrogène : De préférence, pour l'hélium, la dose d'implantation est comprise entre 0,5.1016 He+/cm2 et 2.1016 He+/cm2 et l'énergie d'implantation entre 20 keV et 100 keV et pour l'hydrogène, la dose d'implantation est comprise entre 0,5.1016 H+/cm2 et 2.1016 H+/cm2 et l'énergie d'implantation entre 20 keV et 100 keV. Dans le cas de la co-implantation d'hydrogène et d'hélium, on implante de préférence l'hélium avant l'hydrogène. La figure 3C représente l'étape au cours de laquelle on met le substrat 10 receveur 3, en contact intime par l'une de ses faces référencée 30, avec la face 20 de la couche d'isolant 2 du substrat donneur 1. Le collage entre les deux substrats s'effectue par adhésion moléculaire et l'interface de collage porte la référence numérique 4. Bien que cela ne soit pas représenté sur les figures, on pourrait 15 également envisager de former ou déposer la couche d'isolant 2 sur le substrat receveur 3, puis de coller l'ensemble sur un substrat donneur 1 qui aurait déjà subi l'implantation permettant la formation de la zone de fragilisation 10. Toutefois, dans ce cas il serait alors préférable de former ou déposer une couche d'isolant protectrice sur le substrat donneur 1 avant d'effectuer l'implantation, cette couche 20 protectrice pouvant éventuellement être enlevée avant le collage. En se reportant à la figure 3D, on peut voir que l'on procède ensuite au détachement du reste 12 du substrat donneur, au niveau de la zone de fragilisation 10, de façon à transférer la couche mince 11 sur le substrat support 3, plus précisément sur la couche d'oxyde 2. 25 Le détachement peut s'effectuer soit de façon purement thermique, soit de façon principalement mécanique selon des critères de choix qui seront précisés ultérieurement. Le détachement purement thermique consiste à soumettre l'empilement de couches obtenu à la figure 3C, à un recuit thermique, au cours 30 duquel se produit un détachement spontané du reste 12, le long de la zone de fragilisation 10. Ce détachement thermique est effectué à des températures comprises entre 300 C et 600 C, de préférence à environ 500 C, pendant une durée suffisante pour obtenir ce détachement, typiquement de l'ordre d'une heure. Dans la suite de la description et des revendications, on entend par 35 l'expression "détachement principalement mécanique", soit un détachement purement mécanique, c'est à dire initié par une action mécanique, obtenu par exemple en faisant progresser une lame 5 le long de la zone de fragilisation 10 depuis un côté du substrat, soit un détachement mixte faisant intervenir à la fois un traitement thermique et un traitement mécanique. Plus précisément ce traitement mixte comprend : - l'application d'un traitement thermique de fragilisation contrôlée de la zone fragilisée 10, c'est-à-dire un traitement interrompu avant l'initiation du détachement, puis - l'application d'une impulsion d'énergie déclenchant un détachement "auto-entretenu", le long de ladite zone 10.

L'apport d'une impulsion d'énergie peut être effectué à l'aide d'une machine de décollement automatique des plaques, par exemple une machine telle que celle décrite dans le document US 2006/138189. L'effort mécanique exercé par un tel équipement de décollement est suffisant pour provoquer un détachement "auto-entretenu", c'est-à-dire qu'un choc suffit pour initier et entretenir le détachement et qu'au contraire d'un détachement purement mécanique, il n'y a pas de mouvement d'un outil le long de la zone de fragilisation. Puisque le détachement est auto-entretenu, il n'y a pas de réelle propagation par à-coups d'une onde de fracture susceptible de générer des ondulations en surface. En outre, puisqu'il n'y a pas de mouvement d'un quelconque outil le long des surfaces nouvellement créées, il n'y a pas dégradation de l'état de surface des surfaces ainsi libérées. La surface libre 110 de la couche mince 11 présente ainsi une rugosité bien plus faible que lorsqu'une telle couche mince est obtenue par un détachement spontané résultant d'un recuit purement thermique. En particulier, la demanderesse a pu observer que la rugosité de la surface 110 est fortement réduite en bord de plaque, au niveau de la zone dense que l'on observait avec les techniques de l'art antérieur. Conformément à l'invention, au cours de la première série d'étapes qui vient d'être décrite, on cherchera à réaliser les étapes d'implantation et de détachement de façon à minimiser l'apparition d'une zone dense de forte rugosité. En conséquence, on choisira : - d'effectuer la formation de la zone de fragilisation 10 par coimplantation d'espèces atomiques ou ioniques, et/ou - d'effectuer le détachement du reste 12 par une technique principalement mécanique. io Les étapes de finition vont maintenant être décrites. Une opération d'oxydation sacrificielle est réalisée à la surface de la couche mince 11. Elle se décompose en une étape d'oxydation représentée sur la figure 3E, suivie éventuellement d'un traitement thermique, puis d'une étape de désoxydation représentée sur la figure 3F. La première étape consistant en une oxydation est préférentiellement réalisée à une température comprise entre 700 C et 1100 C. Elle peut être réalisée par voie sèche, par exemple par chauffage du substrat SOI sous une atmosphère gazeuse, ou par voie humide, par exemple par 10 chauffage sous une atmosphère contenant de la vapeur d'eau. Que l'oxydation soit réalisée par voie sèche ou par voie humide, l'atmosphère d'oxydation peut également être chargée en acide chlorhydrique. L'étape d'oxydation conduit à la formation d'une couche d'oxyde de silicium (SiO2) 111 à la surface de la couche mince de silicium 11. 15 La deuxième étape facultative de traitement thermique qui suit peut être effectuée par une augmentation constante ou variable de la température, jusqu'à atteindre une température supérieure à environ 1000 C, et de préférence, comprise entre environ 1100 et 1200 C, sous une atmosphère gazeuse non oxydante. L'atmosphère gazeuse contient par exemple de l'argon, de l'azote, de l'hydrogène ou 20 d'autres gaz non oxydants ou un mélange de ces gaz. Le traitement thermique peut également être effectué sous vide. La durée de ce traitement thermique est typiquement de 2 heures environ. On notera que ce traitement thermique peut être effectué jusqu'à une 25 température de 1200 C, sans risque de dissolution de la couche de SiO2 enterrée 2, car la surface supérieure 110 de la couche 11 de silicium oxydée en 111, empêche ce phénomène. Enfin, l'étape de désoxydation totale représentée sur la figure 3F permet de retirer la couche d'oxyde 111 formée lors de l'étape d'oxydation. Elle est 30 menée par exemple en plongeant le substrat SOI pendant quelques minutes dans une solution d'acide fluorhydrique (HF), dilué dans de l'eau à 10 ou 20% en volume, par exemple. Quelques minutes d'immersion du substrat dans cette solution sont suffisantes pour éliminer la couche d'oxyde de silicium 111 précédemment formée 35 et dont l'épaisseur varie généralement d'une centaine à quelques centaines de 2912259 Il nanomètres. On élimine ainsi l'épaisseur de silicium de la couche 11 qui s'est trouvée endommagée lors du détachement. La couche mince de silicium résiduelle porte la référence numérique 112. Elle est légèrement plus mince que la couche 11. 5 Conformément à l'invention et comme représenté sur la figure 3G, on procède à un recuit thermique de lissage du substrat SOI, sous une atmosphère gazeuse comprenant de l'hydrogène et/ou de l'argon, en l'absence d'oxygène, à une température supérieure ou égale à 950 C et inférieure ou égale à 1100 C, de préférence supérieure ou égale à 950 C et inférieure à 1100 C. Ce recuit est un recuit long, c'est-à-dire que le substrat SOI est maintenu dans la gamme de températures précitée, pendant au moins 10 minutes environ et pendant une durée maximale de quelques heures pouvant même atteindre 15 heures. En dessous de 10 minutes le traitement est inefficace et au-dessus de 15 heures, il n'est plus rentable en terme de coût de production.

Ce recuit est effectué dans un four adapté. Le substrat SOI obtenu porte la référence 6. On notera d'une part que l'étape d'oxydation sacrificielle des figures 3E et 3F est facultative, et d'autre part, que lorsqu'elle est effectuée, elle peut l'être après l'étape de recuit long de la figure 3G.

Enfin, comme représenté sur la figure 3I-I, il est possible, de façon facultative, de procéder à un amincissement mécano-chimique de la couche mince de silicium 112, qui une fois amincie porte la référence 113. La demanderesse a effectué des mesures et a constaté que le fait de réaliser la formation de la zone de fragilisation 10 par une co-implantation d'espèces atomiques ou ioniques et/ou de procéder au détachement par une fracture principalement mécanique, permettait de façon surprenante, de limiter ou même de faire complètement disparaître le phénomène de zone dense observé avec les techniques de l'art antérieur. Les résultats sont reportés sur la figure 4 qui représente les valeurs de la rugosité R de la couche mince de silicium d'un substrat SOI, exprimée en angstrôms RMS pour une surface de balayage de 30 m x 30 m. La valeur précitée est exprimée par une valeur quadratique moyenne dite "RMS" (selon l'acronyme de l'expression anglaise "Root Mean Square"). Elle est mesurée par un microscope à force atomique AFM (selon l'expression anglaise "Atomic Force Microscope") dont la pointe balaye une surface exprimée en micromètres carrés. L'épaisseur de ladite couche mince de silicium était de 150 nm.

A chaque fois, les mesures ont été effectuées au centre du substrat (résultats en traits fins) et sur le bord (résultats en traits gras). La figure 4 permet de comparer la rugosité de surface de la couche mince de silicium lors de la mise en oeuvre d'une séquence de formation de la zone de fragilisation/détachement/finition conforme à l'état de la technique (A, à gauche sur la figure 4) et conformément à l'invention (B, à droite sur la figure 4). Dans le cas A, la formation de la zone de fragilisation a été effectuée par implantation simple d'ions H+, et détachement thermique et les étapes de finition sont identiques à celles effectuées dans le cas B.

Dans le cas B, la formation de la zone de fragilisation avait été effectuée par co-implantation d'hélium et d'hydrogène suivie d'un détachement thermique, puis d'une oxydation sacrificielle et d'un recuit long à une température inférieure ou égale à 1100 C. On peut constater que la mise en oeuvre du procédé conforme à 15 l'invention n'apporte pas un gain de rugosité particulier au centre. En revanche, on constate qu'elle a un effet nettement bénéfique sur le bord du substrat, au niveau où l'on observait une zone dense avec le procédé conforme à l'état de la technique. De plus, les valeurs de rugosité sont faibles, inférieures à 3 angstrôms RMS pour une surface de balayage de 30 m x 30 m, 20 sont homogènes sur toute la surface du substrat et sont reproductibles. En outre, à des températures de recuit inférieures ou égales à 1100 C, le phénomène de diffusion de l'oxygène provenant de la couche d'oxyde de silicium est fortement réduit, de sorte que l'épaisseur de la couche d'oxyde reste uniforme. Enfin, le fait d'effectuer un recuit à une température inférieure ou 25 égale à 1100 C permet de maîtriser les risques de contamination métallique et les défauts induits dans les plaques, tels que des lignes de glissement, par les contraintes d'ordre thermique, ce qui rend le recuit beaucoup plus facilement industrialisable. On donnera ci-après plusieurs exemples de réalisation del'invention. 30 Exemple 1 : Un substrat donneur en silicium, recouvert d'une couche de dioxyde de silicium de 150 nanomètres a subi une co-implantation successive d'hydrogène et d'hélium selon les paramètres mentionnés ci-dessous. - hélium : dose = 1.1016 He+/cm2 ; énergie = 50 keV 35 - hydrogène : dose = 1.1016 H+/cm2 ; énergie = 30 keV Après collage d'un substrat receveur en silicium sur ladite couche de SiO2, on a procédé au détachement et au transfert d'une couche mince de silicium d'une épaisseur d'environ 250 nanomètres et de la couche de SiO2. Cette étape de détachement a été réalisée par un recuit effectué à une température d'environ 500 C.

On a ensuite procédé à une oxydation sacrificielle de la couche mince de silicium, c'est à dire une oxydation suivie d'une désoxydation, de façon à obtenir au-dessus de la couche d'oxyde de silicium enterrée, une couche mince de silicium d'environ 190 nanomètres. Enfin, on a procédé à un recuit thermique pendant une durée de 4 10 heures, à une température de 1100 C, sous une atmosphère gazeuse contenant exclusivement de l'hydrogène et de l'argon. La rugosité de la surface de la couche mince de silicium était homogène et d'une valeur de 2 à 3 angstrdms (À) RMS, pour un balayage par microscope AFM de 301_tm x 301.tm. 15 L'épaisseur de la couche d'oxyde (SiO2) enterré n'a pas été modifiée et elle est restée quasiment homogène sur toute la surface. L'uniformité mesurée était inférieure à 1,8 nm, pour une épaisseur initiale de SiO2 de 145 nm.

Exemple 2 : 20 Un substrat donneur en silicium, recouvert d'une couche de dioxyde de silicium de 150 nanomètres a subi une co- implantation successive d'hydrogène et d'hélium selon les paramètres mentionnés ci-dessous. - hydrogène : dose = 2.1016 H+/cm2 ; énergie = 30 keV - hélium : dose = 2.1016 He+/cm2 ; énergie = 50 keV 25 Après collage d'un substrat receveur en silicium sur ladite couche de SiO2, on a procédé au détachement et au transfert d'une couche mince de silicium d'une épaisseur d'environ 250 nanomètres sur la couche de SiO2. Cette étape de détachement a été réalisée tout d'abord par un recuit effectué à une température d'environ 350 C pendant 2 à 3 heures, qui ne conduisait 30 pas au détachement, puis par l'apport d'une impulsion d'énergie, par exemple un choc qui déclenchait mécaniquement un détachement auto-entretenu. Enfin, on a procédé à une oxydation sacrificielle, puis à un recuit thermique dans les mêmes conditions que pour l'exemple 1. On a obtenu les mêmes résultats que dans l'exemple 1.

35 Le procédé conforme à l'invention permet donc d'obtenir un substrat "SOI" dont la couche mince active de silicium présente une rugosité de surface uniforme, c'est à dire débarrassée des zones denses comme cela était le cas avec les procédés de l'état de la technique, et ce tout en ayant une couche d'oxyde enterrée d'épaisseur homogène. De plus, les différents traitements de finition permettent à cette couche de silicium de présenter une rugosité faible, c'est à dire de l'ordre de 2 à 3 angstrôms (À) RMS, pour un balayage par microscope AFM de 30 m x 30 m. On obtient ainsi des substrats SOI d'excellente qualité, particulièrement adaptés aux applications de fabrication des composants électroniques auxquels ils sont destinés. L'invention est de plus particulièrement intéressante pour les 10 substrats SOI présentant : - une couche supérieure mince de silicium dont l'épaisseur est inférieure ou égale à 200 nanomètres (nm), car malgré cette faible épaisseur la dissolution de la couche d'oxyde enterrée n'a pas lieu, et/ou - une couche de SiO2 enterrée mince dont l'épaisseur est inférieure ou 15 égale à 50 nanomètres (nm), car même dans ce cas la perte de l'uniformité de l'épaisseur reste faible.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication d'un substrat (6) de type "silicium sur isolant" (SOI), comprenant les étapes suivantes qui consistent à : a) implanter des espèces atomiques ou ioniques dans un substrat (1) en silicium dit "source", de façon à y former une zone fragilisée (10) qui délimite 5 une couche mince (11) du reste (12) du substrat source, b) coller ce substrat source (1) et un substrat (3) dit "receveur", par adhésion moléculaire, une couche (2) d'oxyde de silicium (SiO2) étant intercalée entre les deux, c) détacher ledit reste (12) du substrat source (1) le long de la zone 10 fragilisée (10), de façon à obtenir un substrat SOI (6) comprenant le substrat receveur (3) en silicium, recouvert d'une couche de dioxyde de silicium (2) et d'une couche mince de silicium (11,112,113), d) procéder à une ou des étapes de finition de ladite couche mince de silicium (11, 112, 113) dont au moins une étape de recuit thermique long, 15 pendant une durée d'au moins 10 minutes, sous une atmosphère gazeuse comprenant de l'hydrogène et/ou de l'argon, caractérisé en ce que l'on effectue l'étape a) par co-implantation d'espèces atomiques ou ioniques et/ou en ce que l'on effectue l'étape c) par un détachement principalement mécanique, et en ce que la ou lesdites étapes de recuit long sont 20 toutes effectuées à une température supérieure ou égale à 950 C et inférieure ou égale à 1100 C.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les étapes de finition comprennent au moins une oxydation sacrificielle de la surface libre (111) de ladite couche mince, suivie d'une désoxydation de façon à éliminer 25 l'épaisseur de matériau endommagée par l'étape de détachement c).

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape a) consiste à effectuer une co-implantation d'hydrogène et d'hélium.

4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le détachement de l'étape c) est initié par une action mécanique au niveau de 30 la zone fragilisée (10).

5. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le détachement de l'étape c) est effectué par :- application d'un traitement thermique de développement de la fragilisation de la zone fragilisée (10), sans initiation du détachement thermique du reste (12) du substrat source, - et application d'une impulsion provoquant le détachement auto-5 entretenu du reste (12) du substrat donneur (1).

6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à former la couche d'oxyde de silicium (SiO2) par oxydation thermique du substrat donneur (1) et/ou du substrat receveur (3) et à coller les deux substrats l'un avec l'autre, de façon que ladite couche d'oxyde de silicium (SiO2) se 10 trouve à l'interface.

7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'oxydation sacrificielle est réalisée par voie sèche ou par voie humide, à une température comprise entre 700 C et 1100 C.

8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en 15 ce que le recuit de l'étape d) est effectué pendant une durée maximale de 15 heures.

9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite couche mince de silicium (11, 112, 113) présente sur toute son étendue, une rugosité de surface inférieure à 3 angstrôms RMS pour une surface de balayage de 30 gm x 30 m. 20

10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche mince de silicium (11, 112, 113) est inférieure ou égale à 200 nanomètres.

11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche d'oxyde de silicium SiO2 enterrée (2) est inférieure 25 ou égale à 50 nanomètres.

12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'uniformité de l'épaisseur de la couche d'oxyde de silicium SiO2 enterrée (2) est inférieure ou égale à 1,8 nm. 30