FR2915624A1 - Procedes de collage et de fabrication d'un substrat du type a couche enterree tres fine. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de collage par adhésion moléculaire de deux substrats en matériaux semi-conducteurs, dits respectivement "substrat donneur" (1) et "substrat receveur" (2), la face à coller (31, 41) d'au moins l'un d'entre eux étant recouverte d'une couche d'isolant (3, 4).Ce procédé est remarquable en ce qu'il comprend au moins une étape consistant avant l'étape de collage, à appliquer au substrat (1, 2) qui supporte ladite couche d'isolant, ou si les deux substrats (1, 2) supportent chacun une couche d'isolant, à appliquer à au moins l'un d'entre eux, un traitement thermique de dégazage dudit isolant, à une température comprise entre 50 degres C et 350 degres C, pendant une durée allant de quelques minutes à quelques heures.
Description
La présente invention concerne un procédé de collage par adhésion
moléculaire de deux substrats réalisés dans des matériaux semi-conducteurs, la face à coller d'au moins l'un d'entre eux étant recouverte d'une couche d'isolant. On connaît déjà des procédés de ce type.
Une application particulière de ce type de collage consiste en la fabrication d'un substrat composite, par un procédé comprenant des étapes de détachement et de transfert d'une couche mince semi-conductrice issue d'un substrat dit "donneur", vers un second substrat dénommé "receveur". Le collage par adhésion moléculaire ( direct wafer bonding ou fusion bonding selon la terminologie anglo-saxonne) est une technique permettant de faire adhérer l'un à l'autre deux substrats présentant des surfaces parfaitement planes ( poli-miroir ), et cela sans application d'adhésif (de type colle, glue, etc.). Les surfaces en question sont en général celles de substrats en matériau isolant (par exemple quartz, verre) ou en matériau semi-conducteur (par exemple du silicium Si, de l'arséniure de gallium GaAs, du carbure de silicium SiC ou du germanium Ge...). Le collage est typiquement initié par application locale d'une légère pression sur les deux substrats mis en contact. Une onde de collage se propage 20 ensuite sur toute l'étendue des substrats en quelques secondes. L'énergie de collage obtenue à température ambiante est généralement assez faible, par rapport à celle observée entre deux solides liés de façon covalente, ionique ou métallique. Pour de nombreuses applications, le collage doit alors être renforcé 25 en réalisant un recuit thermique. Dans le cas d'une surface de silicium collée sur une autre surface de silicium ou d'oxyde de silicium, l'énergie de collage devient ainsi maximale après un recuit de renforcement: du collage réalisé à des températures de l'ordre de 1100-1200 C. Au premier rang de ces applications du collage par adhésion 30 moléculaire, on trouve celle qui est faite dans le cadre de la réalisation de structures du type semi-conducteur sur isolant , connues sous l'acronyme "SeOI" (selon la terminologie anglo-saxonne "Semiconductor On Insulator''), et en particulier les structures silicium sur isolant , connues sous l'acronyme "SOI" (selon la terminologie anglo-saxonne "Silicon On Insulator''). Dans ce cadre d'application, l'un au moins des substrats à coller présente une couche d'oxyde en surface ; à titre d'exemple, on réalise typiquement un collage Si/SiO2 ou encore un collage SiO2/SiO2 afin de former une structure SOI.
Il existe principalement trois méthodes de réalisation de structures SeOI ou SOI par collage direct : SMART CUT , BSOI (et BESOI), et ELTRAN . On pourra trouver une description des procédés associés à chacune de ces méthodes dans l'ouvrage Silicon wafer bonding technology for VLSI and MEMS applications , S.S. lyer and A.J. Auberton-Hervé, IEE (2002).
Cependant les techniques de fabrication exposées ci-dessus ne sont pas adaptées à la fabrication des substrats connus sous l'acronyme "UTBOX", d'après l'expression anglosaxonne "ultra thin buried oxide", qui signifie "couche d'oxyde enterrée ultra fine". En d'autres termes, ces substrats UTBOX sont des substrats de type SOI, qui comportent une fine couche d'oxyde enterrée dont l'épaisseur est inférieure à 50 nanomètres. En effet, avec des hétérostructures de type "UTBOX" dont la couche d'oxyde est fine, les espèces diffusantes par exemple des gaz, des hydrocarbures, ou des espèces issues de l'implantation, ne sont pas piégées dans l'épaisseur de la couche d'oxyde. Elles peuvent être à l'origine de nombreux défauts au sein de l' hétéro structure . A litre d'exemple de défauts occasionnés par le collage, on peut notamment citer les défauts de type picots (également connus sous la dénomination edge voids selon la terminologie anglo-saxonne), les zones non transférées (connues sous l'acronyme "ZNT") et les cloques.
Un picot correspond à une zone d'une couche dite "active" issue du substrat donneur, qui n'est pas transférée vers le substrat receveur. Ce type de défaut est typiquement observé à la périphérie de la structure finale, plus précisément à une distance typiquement comprise entre 1 et 5 mm du bord du substrat. Un picot est un trou de diamètre typiquement compris entre 100 m 30 et 1 mm, dans la couche mince transférée. L'origine des picots n'est toujours pas déterminée aujourd'hui. La demanderesse estime que ces défauts sont liés à la fin de la propagation de l'onde de collage, lors du collage des deux substrats, et qu'ils se forment là où l'onde de collage rencontre le bord des substrats collés. 35 Comme tous les trous au centre ou en bord de plaque, de taille microscopique ou macroscopique, les picots sont des défauts tueurs car, en l'absence de couche active servant à la formation de composants électroniques, aucun composant ne peut être fabriqué à cet endroit. Etant donné la taille des picots, un composant électronique comprenant au moins un picot est nécessairement défectueux. Les picots sont donc synonymes de baisse de la qualité et de perte de rendement. Les cloques et les zones non transférées ont le même effet de diminution de la qualité des substrats. Des procédés mettant en oeuvre des traitements thermiques avant collage ont été mis au point avant de transférer des couches fines semi-conductrices 10 sur des substrats receveurs. Ainsi, le document US 5 877 070 décrit un procédé consistant à appliquer un premier traitement thermique à un substrat donneur implanté, afin de fragiliser la zone implantée, sans toutefois détacher la couche semi-conductrice de ce substrat donneur, puis un second traitement thermique, afin de transférer cette 15 couche semi-conductrice. Cependant, ce type de traitement est réalisé afin de limiter le budget thermique de détachement, en vue de minimiser la rugosité finale de la couche transférée Il ne vise en aucun cas à diminuer les défauts de type cloques, "ZNT" et/ou picots. L'invention a pour but de résoudre les inconvénients précités de l'état 20 de la technique. L'invention a notamment pour but de proposer un procédé de collage de deux substrats, dont l'un au moins est recouvert d'une couche isolante, qui permette de minimiser - voire de supprimer - le nombre de défauts de type cloques et/ou picots et/ou zones non transférées présents dans l'hétérostructure finale. 25 A cet effet, l'invention concerne un procédé de collage par adhésion moléculaire de deux substrats en matériaux semi-conducteurs, dits respectivement "substrat donneur" et "substrat receveur", la face à coller d'au moins l'un d'entre eux étant recouverte d'une couche d'isolant. Conformément à l'invention, il comprend au moins une étape 30 consistant : • avant l'étape de collage, à appliquer au substrat qui supporte ladite couche d'isolant, ou si les deux substrats supportent chacun une couche d'isolant, à appliquer à au moins l'un d'entre eux, un traitement thermique de dégazage dudit isolant, à une température comprise entre 50 C et 350 C, pendant une 35 durée allant de quelques minutes à quelques heures.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou en combinaison : - le traitement thermique de dégazage est réalisé sous une atmosphère inerte ; - le traitement thermique de dégazage est réalisé sous une atmosphère ambiante ; - le traitement thermique de dégazage est réalisé sous vide ; - ladite couche d'isolant est formée par oxydation thermique du substrat donneur et/ou du substrat receveur ; - ladite couche d'isolant est déposée par une technique de dépôt chimique en phase vapeur ; - ladite couche d'isolant est une couche d'oxyde natif ; - la ou les couche(s) d'isolant est (sont) réalisée(s) en oxyde de silicium (SiO2), en nitrure de silicium (Si3N4) ou en oxynitrure de silicium (SiXOyNz) ; - le substrat donneur et le substrat receveur sont réalisés dans des matériaux choisis parmi le silicium, le silicium (1, 0, 0), le silicium (1, 1, 0), le silicium (1, 1, 1), le silicium polycristallin, le carbure de silicium, le quartz, le germanium et l'arséniure de gallium ; - les faces à coller du substrat receveur et du substrat donneur sont soumises avant le collage, à un traitement de nettoyage, brossage, et séchage ; - les faces à coller du substrat receveur et du substrat donneur sont soumises, avant le collage, à un traitement de nettoyage à l'aide d'une première solution comprenant un mélange d'hydroxyde d'ammonium (NH4OH), de peroxyde d'hydrogène (H2C 2) et d'eau déionisée, puis d'une seconde solution comprenant un mélange d'acide chlorhydrique (HCl), de peroxyde d'hydrogène (H202) et d'eau déionisée ; -au moins l'une des faces à coller du substrat receveur et du substrat donneur est soumise avant le collage, à un traitement d'activation par plasma sous une atmosphère contenant de l'oxygène, de l'azote et/ou de l'argon ; - pendant le collage du substrat donneur avec le substrat receveur, la surface entière d'au moins l'un des deux substrats est soumise à un chauffage à une température comprise entre 30 C et 150 C ; -après le collage du substrat donneur avec le substrat receveur, l'hétérostructure ainsi formée est soumise à un chauffage localisé dans la zone où se termine la propagation de l'onde de collage, à une température comprise entre 30 C et 90 C.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un substrat du type à couche enterrée très fine UTBOX. Conformément à l'invention, ce procédé comprend les étapes consistant à : • mettre en oeuvre le procédé de collage précité, l'épaisseur de la couche d'isolant ou la somme des épaisseurs des deux couches d'isolant étant inférieure ou égale à 50 nanomètres, • puis détacher une partie, dite "reste", dudit substrat donneur, afin d'obtenir ledit substrat du type UTBOX.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou en combinaison : - l'épaisseur de la couche d'isolant ou la somme des épaisseurs des deux couches d'isolant est inférieure ou égale à 25 nanomètres ; - le détachement dudit reste est effectué par polissage mécanico-15 chimique ; le détachement dudit reste est effectué par gravure chimique ; - préalablement au collage des deux substrats, on forme une zone de fragilisation à l'intérieur du substrat donneur, cette zone délimitant une couche mince active du reste du substrat, le détachement du reste étant effectué le long de 20 cette zone de fragilisation, par l'application de forces mécaniques, thermiques et/ou chimiques ; - ladite zone de fragilisation est formée par implantation d'au moins une catégorie d'espèces atomiques et/ou ioniques et en ce que le détachement du reste (15) est effectué par un traitement thermique entre 200 C et 500 C ; 25 - ladite zone de fragilisation est constituée d'une zone poreuse et en ce que le détachement du reste est effectué par application de forces mécaniques ; - le substrat UTBOX obtenu est soumis à un traitement de finition comprenant au moins une étape choisie parmi le nettoyage, l'oxydation/désoxydation, le polissage et le traitement thermique de recuit rapide dit 30 de type "RTA". 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, plusieurs modes de réalisation possibles. 35 Sur ces dessins : - les figures 1A à 1E sont des schémas représentant les étapes successives d'un premier mode de réalisation du procédé conforme à l'invention, - les figures 2A à 2D et 3A à 3D sont des schémas représentant les étapes successives respectivement d'un deuxième et d'un troisième mode de réalisation du procédé conforme à l'invention. Les différentes étapes successives d'un premier mode de réalisation du procédé vont maintenant être décrites brièvement. Sur la figure 1A, on peut voir un substrat 1, dit "donneur", car c'est de lui qu'est issue la couche active du substrat composite final obtenu. Sa face arrière porte la référence 12, sa face avant opposée 11 est recouverte d'une couche d'isolant 3. La face supérieure libre 31 de la couche d'isolant 3 constitue la face à coller. Dans ce mode de réalisation, ainsi que dans ceux décrits ultérieurement, ors. notera que la couche d'isolant peut être formée volontairement ou être issue de l'exposition du ou des substrat(s) à l'air ambiant. Dans ce dernier cas, on parle alors de couche d'oxyde "natif'. On peut également voir un substrat 2, dit "receveur", qui comporte deux faces opposées, à savoir une face avant 21 et une face arrière 22. Conformément à un premier mode de réalisation de l'invention, on 20 réalise une implantation d'espèces atomiques et/ou ioniques à l'intérieur du substrat donneur 1, au travers de la couche d'isolant 3. Pour une description plus détaillée de ce type de procédé d'implantation, on pourra se reporter au procédé connu sous la dénomination SMARTCUTTM, dont on peut trouver une description générale dans l'ouvrage 25 "Silicon on insulator technology : materials to VLSI", deuxième édition, Jean-Pierre COLINGE. Cette implantation a pour effet de former à l'intérieur du substrat donneur 1, une zone de fragilisation 13 qui délimite une couche mince 14 dite "active", du reste l 5 du substrat 1. 30 On peut également réaliser une co-implantation d'espèces atomiques et/ou ioniques. Comme illustré sur la figure 1 C, le substrat donneur 1 porteur de la couche d'isolant 3 est ensuite soumis à un traitement thermique de dégazage selon des modalités décrites ultérieurement. 35 On procède ensuite au collage par adhésion moléculaire du substrat receveur 2 et du substrat donneur 1, en amenant la face de collage 31 en contact intime avec la face avant 21 du substrat 2. Cette étape est représentée sur la figure 1D. L'interface de collage est référencée 5. Entre l'étape de dégazage représentée sur la figure 1C et l'étape de collage représentée sur la figure 1D, il est possible, de façon facultative, d'effectuer une étape de nettoyage et/ou une étape d'activation plasma des surfaces à coller. Le nettoyage peut également être effectué avant le traitement de dégazage. L'étape de collage peut également être complétée par un collage à chaud localisé ou un chauffage pleine plaque comme cela sera décrit ultérieurement.
Enfin, comme représenté sur la figure 1E, on procède au détachement du :reste 15 du substrat donneur 1, de façon à obtenir un substrat composite du type semi-conducteur sur isolant, connu sous l'acronyme "SeOI", référencé 6, et qui comprend successivement le substrat receveur 2, la couche d'isolant 3 et la couche mince active 14.
Les deux autres modes de réalisation vont maintenant être décrits en liaison avec les figures 2A à 2D et 3A à 3D. Les mêmes éléments portent les mêmes références numériques et ne seront pas décrits de nouveau. La figure 2A illustre le cas où la couche d'isolant est portée par le 20 substrat receveur 2. Elle porte alors la référence 4. La figure 3A illustre le cas où le substrat donneur 1 et le substrat receveur 2 supportent chacun une couche d'isolant 3, respectivement 4. La face supérieure libre de la couche d'isolant 4 porte la référence 41. Le substrat qui porte la couche d'isolant 3, 4 ou si les deux substrats 25 portent une couche d'isolant, au moins l'un d'entre eux, est soumis au traitement thermique de dégazage comme représenté sur les figures 2B et 3B. Les figures 2A à 2D illustrent une variante de réalisation dans laquelle le substrat donneur 1 ne comporte pas de zone de fragilisation. L'élimination du reste 15 du substrat donneur 1 est alors effectuée par 30 une opération de polissage mécanico-chimique ou de gravure, effectuée après le collage et représentée sur la figure 2D. Le substrat composite obtenu à l'issue de ce second mode de réalisation porte la référence 6' et diffère du substrat 6 précité en ce que l'interface de collage 5' s'étend entre la couche d'isolant 4 et le substrat receveur 2 et non plus 35 entre la couche d'isolant 3 et ce même substrat receveur.
Dans le troisième mode de réalisation représenté sur la figure 3A, la zone de fragilisation 13' est constituée d'une couche poreuse, obtenue par exemple par le procédé connu de l'homme du métier sous la dénomination ELTRANTM On notera qu'à l'issue du troisième mode de réalisation de l'invention, on obtient un substrat composite 6" qui comporte successivement un substrat receveur 2, deux couches d'isolant respectivement 4 et 3 et une couche active 14, l'interface de collage entre les couches d'isolant 3 et 4, plus précisément entre leurs surfaces de collage respectives 31 et 41, porte la référence 5". Enfin. bien que cela ne soit pas représenté sur les figures, on notera que d'autres modes de réalisation du procédé de l'invention peuvent être mis en oeuvre, notamment en combinant la position de la ou des couche(s) d'isolant sur le substrat donneur 1 et/ou le substrat receveur 2, avec le choix des différents modes de détachement du reste 15 du substrat donneur 1. Ainsi, par exemple, en figure 3, la zone de fragilisation pourrait être 15 formée par implantation d'espèces atomiques et/ou ioniques ou au contraire ne pas être formée du tout. Les substrats donneur 1 et receveur 2 sont réalisés dans des matériaux semi-conducteurs, par exemple en silicium (Si), en silicium (1, 0, 0), en silicium (1, 1, 0), en silicium (1, 1, 1), en arséniure de gallium (AsGa), en carbure 20 de silicium (SiC), ou en germanium (Ge). Ils >ont mono- ou poly-cristallins, de préférence monocristallins pour le substrat donneur 1.. Les couches d'isolant 3 et 4 sont par exemple réalisées en oxyde de silicium (SiO2), en nitrure de silicium (Si3N4), en oxynitrure de silicium (SiXOyNz). 25 Il est également possible d'utiliser pour la couche d'isolant 3 des matériaux diélectriques à forte permittivité ("high k" selon la terminologie anglaise), tels que par exemple du dioxyde de hafnium (HfO2), de l'alumine (Al2O3), de l'oxyde de zirconium (ZrO2), du pentoxyde de tantale (Ta2O5), du dioxyde de titane (TiO2), leurs nitrures et leurs siliciures. 30 De façon préférentielle, et lorsque l'on souhaite obtenir un substrat composite 6, 6', 6" du type UTBOX, on veillera à ce que l'épaisseur de la couche d'isolant 3 seule oU de la couche 4 seule ou de la somme de ces deux couches ne dépassent pas 50 nanomètres, préférentiellement ne dépasse pas 25 nanomètres. Les couches d'isolant 3 et 4 peuvent être formées ou déposées ou être 35 natives.
Lorsque la couche d'isolant 3 ou 4 est formée, elle l'est par oxydation thermique du substrat donneur 1 ou du substrat receveur 2, cette oxydation étant menée à des températures comprises entre 800 C et 1000 C. Dans ce cas, la couche d'isolant obtenue est un oxyde du matériau semi-conducteur constitutif du substrat 1 ou 2. Cette technique est simple à mettre en oeuvre mais rend la nature de la couche d'isolant, dépendante de celle du substrat sur lequel elle est formée. A litre d'exemple, on peut obtenir une couche d'oxyde de silicium (SiO2) par traitement thermique, sous oxygène, d'un substrat en silicium, à une température de 900 C.', pendant une durée de 30 minutes, jusqu'à obtenir l'épaisseur 10 désirée comme cela sera décrit ultérieurement. Les couches d'isolant 3 et 4 peut également être déposées, ce qui permet de ne pas lier leur nature chimique à celle du substrat qui les supporte. On pourra ainsi déposer une couche de SiO2 sur un substrat en germanium ou en carbure de silicium (SiC), par exemple. 15 Parmi les techniques de dépôt, on peut citer le dépôt chimique en phase vapeur, connu sous l'acronyme "CVD", d'après la terminologie anglaise de "Chemical Vapor Deposition". On peut également utiliser le dépôt chimique en phase vapeur à basse pression, connu sous l'acronyme "LPCVD", d'après la terminologie anglaise de 20 "Low Pressure Chemical Vapor Deposition", ou un procédé de dépôt en couches atomiques, connu sous l'acronyme "ALD" (d'après la terminologie anglaise de "Atomic Layer Deposition') ou encore un procédé dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma, connu sous l'acronyme de "PECVD", d'après la terminologie anglais de "Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition". 25 Dans le cas où la couche d'isolant 3, 4 est une couche de SiO2, il est également possible de procéder à son dépôt par la technique LPCVD précitée, mais à partir d'un précurseur de type tétraéthylorthosilicate (TEOS), cette technique étant connue sous l'acronyme "LPCVD TEOS". Pour ce faire, on introduit le tétraéthylorthosilicate (Si(OC2H5)4) sous 30 forme gazeuse, à l'intérieur de l'enceinte du réacteur de dépôt chimique. Sous l'action de la température et de la pression, celui-ci se décompose comme suit :
Si(OC2H5)4 (gaz) SiO2(solide) + 2C2H4 (gaz) + 2CH3CH2OH (gaz)
35 A titre d'exemple, en maintenant la pression à l'intérieur de l'enceinte entre 200 m Ton (milliTorr) et 1 Torr (soit entre 26,6 Pa et 133,3 Pa) et la 2915624 to température entre 600 C et 750 C, pendant une durée de 5 à 30 minutes environ, on peut obtenir une épaisseur de SiO2 comprise entre 10 nm et 200 nm, (nanomètres). En maintenant la pression à l'intérieur de l'enceinte entre 200m Torr 5 (milli Torr) et 500 m Torr (milli Torr), (soit entre 26,6 Pa et 66,66 Pa), de préférence à 250 milli Torr (33,33 Pa) et la température entre 500 C et 750 C, de préférence à 650 C, pendant une durée comprise entre 10 à 20 minutes, de préférence de 15 minutes, on obtient une épaisseur de SiO2 de 50 nm. Traitement de dégazage : Le ou les substrats porteurs des couches d'isolant 3, 4 sont soumis à un traitement thermique de dégazage, avant leur collage. Ce traitement thermique est appliqué à une température basse, de l'ordre de 50 C à 350 C, pendant une durée allant de quelques minutes à quelques heures, de préférence dans une gamme de température de 150 C à 300 C, entre 1 et 2 heures. Ce traitement est généralement effectué dans une étuve ou dans un four traditionnel. Le budget thermique appliqué, c'est-à-dire le produit de la température par la durée pendant laquelle elle est appliquée, peut être mis en oeuvre selon un profil à température constante ou un profil comprenant au moins une rampe de montée en température avec au moins deux plateaux à température constante. De façon avantageuse, on applique ce traitement sous une atmosphère inerte, c'est-à-dire avec un gaz inerte, tel que par exemple de l'argon, de 25 l'azote ou un mélange des deux. Toutefois, ce traitement de dégazage peut également être effectué sous vide, en l'absence de gaz ou au contraire être effectué dans l'air ambiant, à la pression atmosphérique ambiante. Dans ce dernier cas, le dégazage est effectué directement dans la 30 machine de collage et les supports portant ces substrats immédiatement avant leur mise en contact par adhésion moléculaire, sont alors équipés de moyens de chauffage permettant la mise en oeuvre du dégazage précité. Nettoyage : Il faut effectuer le nettoyage d'au moins l'une des deux faces à coller 35 11, 31, 21, 41 avant le collage.
Cette étape de nettoyage avant collage peut être réalisée avant ou après l'étape de dégazage, avant ou après un traitement d'activation par plasma décrit ci-après. Si le nettoyage n'est pas effectué après le dégazage, le ou les substrats ayant subis le traitement de dégazage sont collés immédiatement après le dégazage, afin de minimiser le temps d'attente qui est alors de l'ordre de quelques secondes. Quand le nettoyage est effectué avant le dégazage, les faces à coller, par exemple les faces 11, 21, 31, 41, sont soumises à un nettoyage du type "RCA", 10 pour éliminer les particules contaminantes. Pour mémoire, le traitement à l'aide d'un bain chimique dénommé "RCA" consiste à traiter lesdites faces, successivement avec : - un premier bain d'une solution connue sous l'acronyme "SC 1 ", (d'après la terminologie anglo-saxonne de "Standard Clean 1" , qui signifie "solution 15 de nettoyage standard 1"), et qui comprend un mélange d'hydroxyde d'ammonium (NH4OH), de peroxyde d'hydrogène (H2O2) et d'eau déionisée, - un second bain d'une solution connue sous l'acronyme "SC2", (d'après la terminologie anglo-saxonne de "Standard Clean 2", qui signifie "solution de nettoyage standard 2"), et qui comprend un mélange d'acide chlorhydrique 20 (HCl), de peroxyde d'hydrogène (H2O2) et d'eau déionisée. Les substrats sont ensuite brossés et/ou rincés avec de l'eau déionisée par exemple. Activation plasma : L'une ou l'autre ou les deux faces à coller 11, 31, 21, 41 peuvent être 25 soumises à un traitement d'activation plasma, sous une atmosphère inerte, par exemple contenant de l'argon ou de l'azote, ou sous une atmosphère contenant de l'oxygène. Cette activation est effectuée de préférence après un nettoyage. Les conditions sont spécifiées ci-après : De manière générale, les valeurs de puissance précisées dans la 30 description qui va suivre sont données pour des applications à des plaques d'un diamètre de l'ordre de 200 mm. Toutefois, la présente invention s'applique également à des plaques d'un diamètre de l'ordre de 300 mm, en adaptant la puissance du plasma (ou les valeurs de densité de puissance). Ainsi, d'une manière générale, la densité de puissance est comprise 35 entre 0,035 W/cm2 et 10 W/cm2, de préférence 0,4 W/cm2 pour l'argon, et 0,8 W/cm2 pour l'azote, et 0,8 W/cm2 pour l'oxygène.
Pour un traitement sous une atmosphère contenant de l'argon : - la puissance est comprise entre 25 et 2500 W, de préférence, elle est de 125 W pour une plaque de 200 mm ou d'environ 200 W pour une plaque de 300 mm (correspondant à une densité de puissance de 0,4 W/cm2), - la pression est comprise entre 20 mTorr et 100 mTorr, de préférence elle est de 50 mTorr, (1 Torr = 133,32 Pa). - le débit du gaz est compris entre 0 et 100 sccm, de préférence, il est de 100 sccm, - la durée d'exposition est comprise entre 5 s et 5 min, de préférence, 10 elle est de 30 s. Pour un traitement sous une atmosphère contenant de l'azote : - la puissance est comprise entre 25 et 2500 W, de préférence, elle est de 250 W (correspondant à une densité de puissance de 0,8 W/cm2), - l.a pression est comprise entre 20 mTorr et 100 mTorr, de 15 préférence elle est de 50 mTorr, - le débit du gaz est compris entre 0 et 100 sccm, de préférence, il est de 100 sccm, -la durée d'exposition est comprise entre 5 s et 5 min, de préférence, elle est de 30 s. 20 Lors de l'activation plasma, la densité de puissance alimentant le plasma est adaptée au gaz utilisé. En effet, les atomes d'argon étant plus gros que les atomes d'azote, la puissance retenue pour mettre en oeuvre un plasma d'argon sera plus limitée que pour un plasma d'azote, afin d'éviter un effet de pulvérisation de l'argon. 25 Pour un traitement sous une atmosphère contenant de l'oxygène : - la puissance est comprise entre 25 et 2500 W, de préférence, elle est de 530 W, - la pression est comprise entre 20 mTorr et 100 mTorr, de préférence elle est de 50 mTorr, 30 - le débit du gaz est compris entre 0 et 100 sccm, de préférence, il est de 75 sccm, - la durée d'exposition est comprise entre 5 s et 5 min, de préférence, elle est de 30 à 45 s. Les faces avant de chaque substrat peuvent être traitées avec des 35 plasmas de natures chimiques identiques ou différentes.
De façon préférentielle, le substrat donneur est soumis à une activation plasma oxygène après le nettoyage. Un autre procédé préféré consiste à soumettre le substrat donneur à une activation sous oxygène tandis que le substrat receveur est traité par un plasma 5 non oxydant, sous azote ou argon. Collage : Les plaques de substrats sont mises en contact l'une avecl'autre à température ambiante, de façon à réaliser un collage par adhésion moléculaire. De façon optionnelle, le collage peut être assisté par un chauffage 10 localisé, afin de ralentir la vitesse de l'onde de collage et limiter le nombre de picots sans que le reste du collage ne subisse de perte en énergie de collage. Ce chauffage localisé consiste a chauffer uniquement la zone où peuvent apparaître les picots, c'est à dire la zone où se termine la propagation de l'onde de collage, à des températures de l'ordre de 30 C à 90 C, préférentiellement de 40 C à 70 C. 15 Une autre technique de collage consiste à appliquer un chauffage à une température comprise entre 30 C et 150 C, à la surface entière d'au moins l'un des deux substrats 1 et 2 pendant leur collage. Détachement : Dans le cas où il a été formé une zone de fragilisation 13 par 20 implantations d'espèces atomiques et/ou ioniques, et comme représenté sur les figures 1 D et 1 E, le détachement peut être effectué par l'application de contraintes d'origine thermique, mécanique et/ou chimique. Parmi les contraintes d'origine mécanique, on peut citer l'application d'une lame, d'un jet d'air ou de fluide. 25 D'autres techniques utilisables sont par exemple le polissage mécanico-chimique (connu sous l'acronyme "CMP", d'après l'expression anglosaxonne "Chemical Mecanical Polishing" ou la gravure chimique, par exemple. Dans le cas d'une zone de fragilisation poreuse, le détachement est 30 effectué par application de forces mécaniques. Finition : Les substrats composites 6, 6' ou 6" obtenus peuvent éventuellement être soumis à un traitement de finition comprenant par exemple des étapes de nettoyage, d'oxydation/ désoxydation, de polissage, ou de traitement thermique tel 35 qu'un recuit thermique rapide connu sous l'acronyme "RTA" d'après l'expression anglo-saxonne "Rapid Thermal Annealing", afin d'obtenir un produit fini de très haute qualité. Le procédé conforme à l'invention et notamment l'étape de dégazage permet de diminuer la défectivité finale des substrats obtenus. L'invention trouve donc une application particulière à la réalisation de substrat de type UTBOX dans lesquels l'oxyde enterrée est extrêmement fine. En effet, le procédé conforme à l'invention permet d'obtenir des substrats avec moins de 30 à 50 cloques à la surface, alors que sans le traitement de dégazage, les essais effectués montrent que les substrats présentent 200 à 300 cloques à leur surface. Trois exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits. Exewle 1 : Un substrat donneur en silicium a été soumis à une oxydation thermique, à une température de 900 C, jusqu'à former une couche d'isolant (oxyde de silicium) de 50 nanomètres d'épaisseur. Ce substrat donneur a ensuite subi une implantation simple avec des ions hydrogène, selon une énergie d'implantation de 30 keV et une dose 20 d'implantation de 8.1016 H+/cm2. Il a ensuite subi un nettoyage du type RCA précité. Ce substrat donneur a alors été soumis au traitement de dégazage conforme à l'invention pendant une durée de 2 heures à 200 C. Après son collage sur un substrat receveur en silicium, et un recuit de 25 détachement réalisé entre 200 C et 600 C avec différentes rampes de montée en température, on a obtenu un substrat du type SOI UTBOX. Exemple 2 : Un substrat donneur en silicium a été soumis à une oxydation thermique, à une température de 900 C, jusqu'à former une couche d'isolant (oxyde 30 de silicium) de 25 nanomètres d'épaisseur. Ce substrat donneur a ensuite subi une implantation simple avec des ions hydrogène, selon une énergie d'implantation de 26 keV et une dose d'implantation de 7,2.1016 H+/cm2. Il a ensuite subi un nettoyage du type RCA précité, puis un 35 traitement d'activation. par plasma oxygène entre 500 W et 550 W, pendant 40 à 50 secondes.
Ce substrat donneur a alors été soumis au traitement de dégazage conforme à l'invention pendant une durée de 3 heures à 150 C. Après son collage sur un substrat receveur en silicium, et un recuit de détachement réalisé entre 200 C et 600 C avec différentes rampes de montée en 5 température, on a obtenu un substrat du type SOI UT]3OX. ExG,mple 3 : Un substrat donneur en silicium a été recouvert d'une couche d'isolant (oxyde de silicium) de 50 nanomètres d'épaisseur, obtenu par un dépôt selon la technique de "LPCVD TEOS". 10 Ce substrat donneur a ensuite subi une implantation simple avec des ions hydrogène, selon une énergie d'implantation de 30 keV et une dose d'implantation de 8.1016 H+/cm2. Il a ensuite subi un nettoyage du type RCA précité, puis un traitement d'activation par plasma oxygène, à 535 W, pendant 45 secondes. 15 Ce substrat donneur a alors été soumis au traitement de dégazage conforme à l'invention pendant une durée de 4 heures à 90 C. Après nettoyage par brossage des faces à coller, on a procédé au collage du substrat donneur sur un substrat receveur en silicium, et à un recuit de détachement réalisé entre 200 C et 600 C avec différentes rampes de montée en 20 température. On a obtenu un substrat du type SOI UTBOX.
Tous les substrats obtenus présentaient un très faible nombre de cloques.
Claims (16)
- REVENDICATIONS. 1. Procédé de collage par adhésion moléculaire de deux substrats en matériaux semi-conducteurs, dits respectivement "substrat donneur" (1) et "substrat receveur" (2), la face à coller (11, 31, 21, 41) d'au moins l'un d'entre eux étant recouverte d'une couche d'isolant (3, 4), ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend au moins une étape consistant : • avant l'étape de collage, à appliquer au substrat (1,
- 2) qui supporte ladite couche d'isolant, ou si les deux substrats (1, 2) supportent chacun une couche d'isolant, à appliquer à au moins l'un d'entre eux, un traitement thermique de dégazage dudit isolant, à une température comprise entre 50 C et 350 C, pendant une durée allant de quelques minutes à quelques heures. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement thermique de dégazage est réalisé sous une atmosphère inerte.
- 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement thermique 15 de dégazage est réalisé sous une atmosphère ambiante.
- 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement thermique de dégazage est réalisé sous vide.
- 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite couche d'isolant (3, 4) est formée par oxydation thermique du substrat donneur 20 (1) et/ou du substrat receveur (2).
- 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite couche d'isolant (3, 4) est déposée par une teclmique de dépôt chimique en phase vapeur.
- 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite 25 couche d'isolant (3, 4) est une couche d'oxyde natif.
- 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les couche(s) d'isolant (3, 4) est (sont) réalisée(s) en oxyde de silicium (SiO2), en nitrure de silicium (Si3N4) ou en oxynitrure de silicium (SiXOyNZ).
- 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le 30 substrat donneur (1) et le substrat receveur (2) sont réalisés dans des matériaux choisis parmi le silicium, le silicium (1, 0, 0), le silicium (1, 1, 0), le silicium (1, 1, 1), le silicium polycristallin, le carbure de silicium, le quartz, le germanium et l'arséniure de gallium.
- 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les faces à coller (11, 31, 21, 41) du substrat receveur (2) et du substrat donneur (1) sont soumises, avant le collage, à un traitement de nettoyage, brossage, et séchage.
- 11 Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les faces à coller 11, 31, 21, 41) du substrat receveur (2) et du substrat donneur (1) sont soumises, avant le collage, à un traitement de nettoyage à l'aide d'une première solution comprenant un mélange d'hydroxyde d'ammonium (NH4OH), de peroxyde d'hydrogène (H202) et d'eau déionisée, puis d'une seconde solution comprenant un mélange d'acide chlorhydrique (HC1), de peroxyde d'hydrogène (H202) et d'eau déionisée.
- 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins l'une des faces à coller (11, 31, 21, 41) du substrat receveur (2) et du substrat donneur (1) est soumise avant le collage, à un traitement d'activation par plasma sous une atmosphère contenant de l'oxygène, de l'azote et/ou de l'argon.
- 13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que pendant le collage du substrat donneur (1) avec le substrat receveur (2), la surface entière d'au moins l'un des deux substrats (1, 2) est soumise à un chauffage à une température comprise entre 30 C et 150 C.
- 14. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'après le collage du substrat donneur (1) avec le substrat receveur (2), l'hétérostructure ainsi formée est soumise à un chauffage localisé dans la zone où se termine la propagation de l'onde de collage, à une température comprise entre 30 C et 90 C.
- 15. Procédé de fabrication d'un substrat du type à couche enterrée très fine UTBOX, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : • mettre en oeuvre le procédé de collage selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'épaisseur de la couche d'isolant (3, 4) ou la somme des épaisseurs des deux couches d'isolant (3, 4) étant inférieure ou égale à 50 nanomètres, • puis détacher une partie (15), dite "reste", dudit substrat donneur (1), afin d'obtenir ledit substrat du type UTBOX.
- 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche d'isolant (3, 4) ou la somme des épaisseurs des deux couches d'isolant (3, 4) est inférieure ou égale à 25 nanomètres.17. Procédé selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce que le détachement dudit reste (15) est effectué par polissage mécanico-chimique. 18. Procédé selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce que le détachement dudit reste (15) est effectué par gravure chimique. 19. Procédé selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce que préalablement au collage des deux substrats (1, 2), on forme une zone de fragilisation (13, 13') à l'intérieur du substrat donneur (1), cette zone (13, 13') délimitant une couche mince active (14) du reste (15) du substrat, le détachement du reste (15) étant effectué le long de cette zone de fragilisation (13, 13'), par l'application de forces mécaniques, thermiques et/ou chimiques. 20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que ladite zone de fragilisation (13) est formée par implantation d'au moins une catégorie d'espèces atomiques et/ou ioniques et en ce que le détachement du reste (15) est effectué par un traitement thermique entre 200 C et 500 C. 21. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que ladite zone de fragilisation (13') est constituée d'une zone poreuse et en ce que le détachement du reste (15) est effectué par application de forces mécaniques. 22. Procédé selon l'une des revendications 15 à 21, caractérisé en ce que le substrat UTBOX obtenu est soumis à un traitement de finition comprenant au moins une étape choisie parmi le nettoyage, l'oxydation/désoxydation, le polissage et le traitement thermique de recuit rapide dit de type "IRA".
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