FR2931013A1 - Procede de production de tranches collees. - Google Patents
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Abstract
Dans un procédé de production d'une tranche collée, on règle une fraction volumique de particules de SiO2 dispersée dans du silicium dans une couche où ont été implantés des ions oxygène, formée lors d'une étape d'implantation d'ions oxygène dans une tranche pour couche active et d'une étape ultérieure de traitement thermique, pour que cette fraction ne soit pas inférieure à 30 % mais pas supérieure à 80 %. Dans une étape d'amincissement d'une portion de la tranche pour couche active, on utilise la couche implantée avec des ions oxygène formée à l'étape précitée comme couche d'arrêt de polissage pour polir au moins la portion de la tranche pour couche active.
Description
PROCEDE DE PRODUCTION DE TRANCHES COLLEES
La présente invention concerne un procédé de production d'une tranche collée, et plus particulièrement, un procédé de production d'une tranche collée, dans lequel une couche implantée avec des ions oxygène est utilisée de façon efficace comme une couche d'arrêt de polissage. Comme procédé de production type d'une tranche collée, on connaît un procédé dans lequel une tranche de silicium ayant un film d'oxyde (film isolant) est collée à une autre tranche de silicium et ensuite, un côté de la tranche collée obtenue est meulé et poli pour former une couche de silicium sur isolant (SOI - Silicon On Insulator) (procédé de meulage-polissage), un procédé dans lequel des ions oxygène sont implantés à l'intérieur d'une tranche de silicium et ensuite, un recuit à haute température est effectué pour former une couche de film d'oxyde enterré (BOX Buried Oxide Film) dans la tranche de silicium et ensuite, une partie supérieure de la couche BOX est fondue dans la couche SOI (SIMOX : Séparation par le procédé d'implantation d'oxygène), et un procédé dans lequel des ions d'hydrogène ou similaires sont implantés dans une portion de couche de surface d'une tranche de silicium pour couche SOI (tranche pour couche active) pour former une couche implantée avec des ions et ensuite, la tranche est collée à une tranche de silicium pour substrat de support et puis, la tranche collée est exfoliée au niveau de la couche implantée avec des ions par le biais d'un traitement thermique pour former la couche SOI (procédé smart-cut). (pour le procédé SIMOX, voir par exemple, le document JP-A-H05-291543.) Cependant, tous les procédés décrits ci-dessus sont problématiques en ce que la couche active présente une uniformité d'épaisseur bien médiocre ( 30 % ou plus).
En tant que solution au problème ci-dessus, les inventeurs ont déjà élaboré un procédé combinant le procédé d'implantation d'ions oxygène avec le procédé de meulage-polissage, à savoir un procédé de production d'une tranche collée en collant directement une tranche pour couche active ayant ou n'ayant pas de film isolant sur sa surface à une tranche pour couche de support et en amincissant ensuite la tranche pour couche active, qui comprend une combinaison réactive des étapes suivantes : une étape d'implantation d'ions oxygène dans la tranche pour couche active pour former une couche implantée avec des ions oxygène dans la couche active ; une étape de soumission de la tranche pour couche active à un traitement thermique à une température n'étant pas inférieure à 1 100°C dans une atmosphère non-oxydante ; une étape de collage de la tranche pour couche active à une tranche pour 5 couche de support ; une étape de traitement thermique pour améliorer une résistance de collage de la tranche collée ; une étape de meulage d'une portion de la tranche pour couche active dans la tranche collée exempte de la couche implantée avec des ions oxygène ; 10 une étape de polissage ou de gravure de la tranche pour couche active pour exposer la couche implantée avec des ions oxygène ; une étape d'oxydation de la tranche collée pour former un film d'oxyde sur la surface exposée de la couche implantée avec des ions oxygène ; une étape d'élimination du film d'oxyde ; et 15 une étape de traitement thermique à une température n'étant pas supérieure à 1 100°C dans une atmosphère non-oxydante pour planariser la tranche pour couche active dans la tranche collée, qui a été décrite (voir JP-A-2008-16534). Selon ce procédé, il est possible d'obtenir une tranche collée directement étant relativement excellente en matière d'uniformité d'épaisseur de la couche active et relativement 20 moins excellente en matière de défauts, comme évalué par un microscope électronique à transmission (MET). Dans le procédé décrit dans le document JP-A-2008-16534, cependant, la couche implantée avec des ions oxygène est décrite comme servant de couche d'arrêt de polissage, mais les conditions pour que la couche implantée avec des ions 25 oxygène soit souhaitable comme couche d'arrêt de polissage ne sont pas révélées, et donc, la couche implantée avec des ions oxygène obtenue n'est pas nécessairement optimisée comme couche d'arrêt de polissage. A savoir, la couche implantée avec des ions oxygène formée dans le procédé ci-dessus peut avoir une structure de double couche comprenant une couche A 30 proche d'une surface d'une portion de la tranche pour couche active (limite entre la couche BOX et la couche SOI, figure 6) située sur le côté de l'implantation d'ions oxygène (côté inférieur de la figure 6) et une couche B écartée de la surface située sur le côté de l'implantation en ions oxygène, comme représenté par une photographie MET de section sur la figure 2(b) et représenté schématiquement sur les figures 6(a)-(c). En cas d'une structure à double couche, la fraction volumique de particules SiO2 dispersée dans le silicium de la couche implantée avec des ions oxygène devient plus faible, et de ce fait, les particules SiO2 sont enlevées de la couche implantée avec des ions oxygène pendant le polissage depuis le côté de la couche B, et ensuite, l'arrêt du polissage, l'irrégularité peut être facilement laissée sur la surface de la couche implantée avec des ions oxygène, comme le montre la figure 6(a). Dans le traitement d'oxydation suivant, comme le montre la figure 6(b), un film d'oxyde C oxydé à une profondeur donnée comprenant la couche implantée avec les ions d'oxygène est creusé dans la surface de la couche SOI en fonction de l'irrégularité de surface de la couche implantée avec des ions oxygène, et de ce fait, l'irrégularité peut être laissée sur la surface de la couche SOI après le retrait du film d'oxyde C, comme le montre la figure 6(c). Dans le procédé ci-dessus, par conséquent, la surface de la tranche pour couche active est planarisée dans l'étape de traitement thermique suivante pour obtenir une uniformité d'épaisseur de la couche active, mais le traitement thermique prend plus de temps et de main-d'oeuvre, ce qui est problématique. Par conséquent, un objet de l'invention consiste à résoudre avantageusement le problème ci-dessus et à proposer un procédé de production avantageuse d'une tranche collée, dans lequel une couche implantée avec des ions oxygène est obtenue avec une fonction d'arrêt de polissage suffisamment importante pour servir en tant que couche d'arrêt de polissage. Les inventeurs ont réalisé diverses études sur les conditions d'arrêt de polissage avec une couche implantée avec des ions oxygène afin de résoudre le problème ci-dessus, et ont découvert que la couche implantée avec des ions oxygène souhaitable comme couche d'arrêt de polissage a une fraction volumique de particules SiO2 dispersée dans le silicium à l'intérieur d'une plage donnée. L'invention est basée sur la connaissance ci-dessus.
A savoir, le résumé et la construction de l'invention sont comme suit. Point 1. Procédé de production d'une tranche collée par collage d'une tranche pour couche active sur une tranche pour couche de support, qui comprend une série d'étapes comprenant : (1) une étape d'implantation d'ions oxygène dans la tranche pour couche active pour former une couche implantée avec des ions oxygène ; (2) une étape de collage de la surface implantée avec des ions oxygène de la tranche pour couche active sur la tranche pour couche de support directement ou par le biais d'un film isolant ; (3) une étape de réalisation d'un traitement thermique pour accroître une résistance de collage de la tranche collée, (4) une étape d'amincissement d'une portion de la tranche pour couche active dans la tranche collée pour exposer la couche implantée avec des ions oxygène ; et (5) une étape d'élimination de la couche implantée avec des ions oxygène de la tranche pour couche active dans la tranche collée, dans laquelle une fraction volumique de particules SiO2 dispersée dans le silicium dans la couche implantée avec des ions oxygène, formée lors l'étape (1) d'implantation d'ions oxygène dans la tranche pour couche active ou lors de l'étape d'implantation précitée et de l'étape de traitement thermique consécutive, est définie à une valeur pas inférieure à 30 %, mais pas supérieure à 80 % ; et lors de l'étape (4) d'amincissement de la portion de la tranche pour couche active, la couche implantée avec des ions oxygène formée dans l'étape (1) de l'implantation d'ions oxygène dans la tranche pour couche active est utilisée comme une couche d'arrêt de polissage pour polir au moins la portion de la tranche pour couche active. Point 2. Procédé de production d'une tranche collée selon le point 1, dans lequel lors de l'étape (1) d'implantation d'ions oxygène dans la tranche pour couche active, des ions oxygène sont implantés de sorte qu'une première valeur différentielle d'une répartition de concentration en oxygène moyenne depuis le côté de surface implantée dans une couche implantée avec des ions oxygène vers une partie intérieure de celle-ci est positive. Point 3. Procédé de production d'une tranche collée selon le point 1 ou 2, dans lequel l'étape (5) d'élimination de la couche implantée avec des ions oxygène est en outre suivie par (6) une étape de planarisation et/ou d'amincissement de la surface de la tranche pour couche active dans la tranche collée. Lorsque la fraction volumique de particules SiO2 dispersée dans la couche implantée avec des ions oxygène est inférieure à 30 %, les particules SiO2 sont trop séparées les unes des autres, de sorte que les particules SiO2 sont facilement retirées pendant le polissage pour amincissement de la tranche pour couche active et de ce fait, la fonction d'arrêt de plissage n'est pas suffisamment importante. A savoir, l'irrégularité peut être facilement laissée sur la surface de la couche implantée avec des ions oxygène après l'étape de polissage. Alors que, lorsque la fraction volumique de particules SiO2 dispersée dans le silicium dans la couche implantée avec des ions oxygène dépasse 80 %, les particules SiO2 sont difficiles à enlever lors du polissage pour amincissement de la tranche pour couche active et de ce fait, la fonction d'arrêt de polissage est suffisamment importante, mais une température plus élevée et une concentration en oxygène plus élevée sont nécessaires dans l'implantation d'ions oxygène et le coût devient plus élevé dans l'implantation d'ions oxygène. Selon l'invention dans laquelle la fraction volumique de particules SiO2 n'est pas inférieure à 30 % mais pas supérieure à 80 %, par conséquent, la couche implantée avec des ions oxygène ayant une fonction d'arrêt de polissage suffisamment importante souhaitable comme couche d'arrêt de polissage et capable d'implanter des ions oxygène à moindre coût peut être obtenue pendant la production de la tranche collée, de sorte qu'il est possible de produire une tranche collée ayant une excellente uniformité d'épaisseur de la couche active à un faible coût.
En outre, lorsque des ions oxygène sont implantés lors de l'étape d'implantation d'ions oxygène dans la tranche pour couche active de sorte que la première valeur différentielle de la répartition de concentration en oxygène moyenne à partir du côté de surface implantée dans la couche implantée avec des ions oxygène vers l'intérieur de celle-ci est positive ou une seule valeur crête, la couche implantée avec des ions oxygène a une structure monocouche telle que la concentration en oxygène devient plus élevée depuis le côté de surface implantée vers l'intérieur, de sorte qu'il est possible d'obtenir de façon stable une fonction d'arrêt de polissage suffisamment importante. De plus, il est possible de produire une tranche collée ayant une uniformité d'épaisseur de la couche active d'une plus grande excellence lorsque l'étape de planarisation et/ou d'amincissement de la surface de la tranche pour couche active dans la tranche collée est en outre effectuée après l'étape d'élimination de la couche implantée avec des ions oxygène. L'invention sera décrite en référence aux dessins joints, sur lesquels : La figure 1 est un organigramme des étapes de production selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 2(a) est une photographie MET au niveau de la section d'une tranche soumise à un traitement thermique après une implantation d'ions oxygène dans les conditions du mode de réalisation plus haut ; la figure 2(b) est une photographie MET de section d'une tranche soumise à 10 un traitement thermique après une implantation d'ions oxygène dans des conditions classiques ; la figure 3(a) est un schéma montrant une relation entre la profondeur et la concentration en oxygène moyenne d'une tranche collée dans l'exemple et un exemple comparatif basé sur le mode de réalisation ci-dessus ; 15 la figure 3(b) est un schéma explicatif montrant des conditions d'implantation et des résultats d'arrêt de polissage dans ces exemples et l'exemple comparatif ; la figure 4(a) est une photographie montrant un résultat analysé par EELS d'une structure d'une couche implantée avec des ions oxygène dans une tranche collée de l'exemple ci-dessus ; 20 la figure 4(b) est une photographie montrant une image de spectre de Si dans la zone encadrée de la figure 4(a) ; la figure 4(c) est une photographie montrant une image de spectre de O dans la zone encadrée de la figure 4(a) ; la figure 5(a) est une photographie montrant un résultat analysé EELS d'une 25 structure d'une couche implantée avec des ions oxygène dans une tranche collée de l'exemple ci-dessus quant à la même zone que sur la figure 4(a) ; la figure 5(b) est un schéma montrant des spectres pour trois points P1, P2 et P3 dans cet ordre depuis le côté de surface à l'intérieur de la zone encadrée de la figure 5(a) ; 30 la figure 5(c) est un schéma montrant une image de spectre typique de Si dans un manuel ; la figure 5(d) est un schéma montrant une image de spectre typique de SiO2 dans un manuel ; les figures 6(a)-(c) sont des vues en coupe schématiques montrant une influence d'un état de surface poli après l'arrêt de polissage de la tranche collée soumise à implantation d'ions oxygène et traitement thermique avant le collage selon le procédé classique sur un état de surface après élimination d'un film d'oxyde, respectivement. Un mode de réalisation de l'invention sera décrit concrètement ci-après. Tout d'abord, l'invention sera concrètement expliquée par rapport à une tranche collée devant être ciblée dans ce mode de réalisation et chaque étape de production selon un organigramme représenté sur la figure 1.
Tranche collée Dans la production d'une tranche collée telle qu'une tranche SIMOX ou similaire, deux tranches de silicium, à savoir, une tranche pour couche active et une tranche pour couche de support sont collées l'une à l'autre. Ce mode de réalisation est applicable non seulement à un cas où le collage des deux tranches est effectué par le biais d'un film isolant (film d'oxyde), mais également à un cas où les deux tranches sont collées directement sans un tel film isolant. De plus, un type et une concentration d'un dopant, une concentration en oxygène et similaire ne sont pas limitées tant que la tranche devant être collée a une bonne rugosité de surface adaptée au collage. Afin de réduire en outre les défauts, cependant, il est préférable d'utiliser une tranche n'ayant aucune COP (particule à cristal orienté û Crystal Oriented Particle) ou moins de COP. Pour la réduction des COP, il est possible d'appliquer un procédé d'optimisation des conditions du tirage CZ pour réduire les COP, un procédé de soumission d'une tranche à un traitement thermique à haute température n'étant pas inférieure à 1 000 °C dans une atmosphère réductrice après travail au miroir, un procédé de croissance épitaxiale Si sur une tranche par CVD ou similaire, etc.
(1) Etape d'implantation d'ions oxygène dans une tranche pour couche active Dans ce mode de réalisation, des ions oxygène sont tout d'abord implantés dans une tranche pour couche active. Dans ce cas, la tension d'accélération dans l'implantation d'ions oxygène peut être choisie correctement en fonction de l'épaisseur de la couche active dans le produit final et n'est pas particulièrement limitée. Par conséquent, l'implantation des ions oxygène peut être effectuée à une tension d'accélération d'environ 100 à 300 keV pour un implanteur d'ions oxygène habituel. D'autre part, la dose d'ions oxygène dans l'implantation est définie de sorte que la fraction volumique de particules SiO2 dispersée dans le silicium dans la couche implantée avec des ions oxygène n'est pas inférieure à 30 % mais pas supérieure à 80 % par le biais de la combinaison avec l'étape suivante. Lorsque la dose des ions oxygène est faible, il est préférable d'effectuer un traitement thermique préliminaire avant l'étape de collage.
A savoir, la dose d'ions oxygène dans l'implantation se trouve dans la plage 5 x 1017 à 1 x 1018 atomes/cm2 lorsque l'étape de traitement thermique n'est pas effectuée avant le collage, alors que lorsque le traitement thermique préliminaire est effectué avant l'étape de collage, la dose est 1 x 1017 à 8 x 1017 atomes/cm2 à une température de traitement thermique de 1 100 °C, 0,8 x 1017 à 4 x 1017 atomes/cm2 à une température de traitement thermique de 1 200 °C, et 0,5 x 1017 à 2 x 1017 atomes/cm2 à une température de traitement thermique de 1 350 °C. Lorsque la dose d'ions oxygène dans l'implantation est inférieure à 5 x 1017 atomes/cm2 sans le traitement thermique, ou inférieure à 1 x 1017 atomes/cm2 à la température de traitement thermique de 1 100 °C, ou inférieure à 0,8 x 1017 atomes/cm2 à la température de traitement thermique de 1 200 °C, ou inférieure à 0,5x1017 atomes/cm2 à la température de traitement thermique de 1 350 °C, la fraction volumique de particules SiO2 dispersée dans le silicium dans la couche implantée avec des ions oxygène sans le traitement thermique ou après le traitement thermique est inférieure à 30 %, et de ce fait, une couche de cristal Si ou une couche amorphe Si contenant des atomes oxygène prend une structure de couche double évidente à la place d'une monocouche ou n'est pas formée de façon suffisante, et également, les particules de SiO2 sont trop espacées les unes des autres, de sorte que lorsque le polissage est effectué pour amincissement de la tranche pour couche active à l'étape (5) après le collage mentionné plus loin, les particules SiO2 sont facilement enlevées et de ce fait, l'arrêt de polissage ne peut pas être effectué avec précision. D'autre part, lorsque la dose d'ions oxygène dans l'implantation dépasse 1 x 1018 atomes/cm2 sans le traitement thermique, ou dépasse 8 x 1018 atomes/cm2 à la température de traitement thermique de 1 100 °C, ou dépasse 4 x 1018 atomes/cm2 à la température de traitement thermique de 1 200 °C, ou dépasse 2 x 1018 atomes/cm2 à la température de traitement thermique de 1 350 °C, la fraction volumique de particules SiO2 dispersée dans le silicium dans la couche implantée avec des ions oxygène, dans le traitement thermique ou après le traitement thermique, dépasse 80 %, et de ce fait, l'arrêt de polissage peut être effectué de façon précise à l'étape (5) après le collage, mais une température plus élevée et une concentration en oxygène plus élevée sont nécessaires dans l'implantation d'ions oxygène et le coût augmente pour 1"implantation d'ions oxygène. Dans l'implantation d'ions oxygène, la température du substrat ne doit pas être supérieure à 200 °C. Lorsque la température dépasse 200 °C, une couche amorphe n'est pas suffisamment formée. De préférence, la température du substrat n'est pas inférieure à la température ambiante (environ 20 °C) mais pas supérieure à 100 °c. De plus, il est possible d'effectuer l'implantation d'ions oxygène à une température ne dépassant pas la température ambiante, mais il est nécessaire d'ajouter à l'implanteur un mécanisme pour refroidir de force la tranche. En outre, l'implantation d'ions oxygène peut être répartie en plusieurs fois. Dans ce cas, des ions oxygène sont tout d'abord implantés à une température plus élevée et ensuite, implantés à une température plus basse (par exemple, pas inférieure à la température ambiante, mais pas supérieure à 100 °C) jusqu'à une profondeur en contact avec la couche implantée à température élevée. De préférence, ceci facilite la formation d'une monocouche après le traitement thermique. En outre, le nettoyage peut être effectué entre les étapes d'implantation divisées. En tant que moyens de nettoyage, il est préférable d'utiliser SCi, HF, 03, un acide organique et similaire, qui ont une excellente capacité d'élimination des particules.
(2) Etape de soumission de la tranche pour couche active à un traitement thermique Bien que le nettoyage et le collage puissent être effectués après l'implantation d'ions oxygène, la tranche pour couche active est soumise à un traitement thermique avant le collage, moyennant quoi la dose d'ions oxygène implantés peut être réduite à de plus faibles coûts. Lorsque le traitement thermique est effectué après l'implantation d'ions oxygène dans ce mode de réalisation, la tranche est traitée thermiquement à une température pas inférieure à 1 000 oc pendant pas moins de 5 heures, de préférence, à 1 100 °C pendant pas moins d'une heure, plus préférablement, à une température pas inférieure à 1 200 °C mais pas supérieure à 1 350 °C pendant pas moins de 10 minutes avant le collage. Si le traitement thermique à une température inférieure à 1 000 °C est effectué pendant une longue période de pas moins de 5 heures, la couche implantée avec des ions oxygène prend une structure de couche double évidente, ou un état de phase SiO2 n'est pas formé de façon suffisante en faisant réagir l'oxygène implanté avec du Si, de sorte que la fonction d'arrêt de polissage ne devient pas suffisamment importante.
Lorsque le traitement thermique est effectué dans une atmosphère non oxydante, l'oxygène implanté à proximité d'une surface la plus externe pendant l'implantation d'ions oxygène est diffusé vers l'extérieur pour réduire la concentration en oxygène, ce qui contribue à supprimer les précipitats d'oxygène à proximité de la surface la plus externe dans un traitement thermique pour augmenter la résistance de collage. En conséquence, il est possible de réduire encore la densité de défauts. En tant qu'atmosphère non oxydante, une atmosphère Ar, H2 ou mixte est particulièrement adaptée. Sur les figures 2(a) et 2(b), sont représentées des photographies MET en coupe de deux tranches collées, formées chacune en implantant des ions oxygène dans une tranche pour couche active dans des conditions pour le mode de réalisation ci-dessus ou des conditions classiques, en soumettant la tranche à un traitement thermique, en la collant à une tranche pour couche de support et en soumettant ensuite la tranche collée obtenue à un traitement thermique pour améliorer la résistance de collage à 1 100 °C pendant 1 heure, respectivement. De plus, la tranche pour la couche de support est soumise à une oxydation thermique pour former une couche BOX ayant une épaisseur de 0,2 m. A ce stade, les conditions d'implantation d'ions oxygène et les conditions de traitement thermique sont les suivantes.
Conditions dans la technique classique : Pour le traitement d'implantation d'ions oxygène Tension d'accélération : 200 keV, dose : 1 x 1017 atomes/cm2, température du substrat : 400 °C + dose : 5 x 1015 atomes/cm2, température du substrat : 100 °C Pour traitement thermique : 1 100 °C, 0,5 heure
Conditions de l'invention Pour traitement d'implantation d'ions oxygène Tension d'accélération : 200 keV, dose : 1 x 1017 atomes/cm2, température du substrat : 400 °C + dose : 5 x 1015 atomes/cm2, température du substrat : 100 °C Pour traitement thermique : 1 200 °C, 2 heures Comme le montrent les photographies, la couche implantée avec des ions oxygène (couche SiO2) dans les conditions classiques est observée comme une structure à double couche comprenant une zone où les particules SiO2 sont relativement continues et apparaît blanche (correspondant à la zone A sur la figure 6 et ayant une aptitude d'arrêt de polissage importante) et une zone où les particules SiO2 sont dispersées et apparaît noire (correspondant à la zone B sur la figure 6 et ayant une faible aptitude d'arrêt de polissage). En cas de polissage à ce stade, il est en principe possible d'arrêter le polissage quelque part sur une couche d'arrêt de polissage (zone implantée avec des ions oxygène). Dans la zone B ayant une faible aptitude à l'arrêt du polissage, cependant, une zone passant partiellement à travers la zone B et s'arrêtant au niveau de la zone A ayant une aptitude importante d'arrêt de polissage est formée par une répartition dans le plan du polissage. Par conséquent, comme le montrent les figures 6(a)-(c), la formation de l'irrégularité ne peut pas être évitée dans la surface de la couche active après polissage de la couche Si après collage et un film d'oxyde est formé et retiré ensuite. Au contraire, il est entendu que dans les conditions de l'invention, une couche implantée avec des ions oxygène ayant une fonction de polissage d'arrêt suffisamment importante pour servir en tant que couche d'arrêt de polissage et capable d'implanter des ions d'oxygène à moindre coût est formée car une interface entre la couche implantée avec des ions oxygène (couche SiO2) et la couche Si de surface est lisse. (3) Etape de collage de tranche pour couche active sur tranche pour couche de support Ensuite, la tranche pour couche active est collée à la tranche pour couche de support. Dans ce cas, les deux tranches peuvent être collées l'une à l'autre par le biais d'un film isolant ou directement sans le film isolant. Lorsque le collage est effectué avec le film isolant, il est préférable d'utiliser un film d'oxyde (SiO2) tel que BOX, un film de nitrure (Si3N4) ou similaire en tant que film isolant. En tant que procédé de formation du film, on préfère un traitement thermique dans une atmosphère oxydante ou une atmosphère d'azote (oxydation thermique, nitruration thermique), CVD, etc. En tant qu'oxydation thermique, une oxydation en milieu humide utilisant de la vapeur peut être utilisée en plus de l'utilisation de gaz oxygène. En outre, le film isolant peut être formé avant ou après l'implantation d'ions oxygène. Lorsque le film isolant est formé avant implantation, une tension d'accélération plus élevée est nécessaire dans l'implantation d'ions oxygène pour produire un substrat SOI ayant une grande épaisseur de la couche SOI. Dans un implanteur d'ions polyvalent, la tension d'accélération n'est d'ordinaire pas supérieure à 200 keV, de sorte que lorsque l'épaisseur de la couche SOI est de 50 à 200 nm, l'épaisseur de la couche BOX n'est pas supérieure à 200 nm, de préférence, pas supérieure à 50 nm, plus préférablement, pas supérieure à 20 nm, en considérant une marge de traitement. D'autre part, lorsque le film isolant est formé après l'implantation, il est nécessaire de former le film à une température ne dépassant pas 1 000 °C où une cristallisation amorphe progresse difficilement. La formation d'un tel film isolant peut être effectuée soit sur la tranche pour couche active, soit sur la tranche pour couche de support ou les deux. En outre, il est avantageux d'effectuer le traitement de nettoyage avant le 25 collage pour supprimer l'occurrence de vides en raison des particules. En tant que moyens de nettoyage, il est efficace d'utiliser un procédé général pour nettoyer des tranches de silicium avec du SC1+SC2, HF+03, un acide organique ou une combinaison de ceux-ci. En outre, il est avantageux de mettre en contact deux tranches l'une avec 30 l'autre à une pression inférieure à la pression atmosphérique dans le collage puisque l'occurrence de vides en raison de la forme de la tranche peut être supprimée. Une pression préférable n'est pas supérieure à 0,5 atmosphère, plus préférablement, 0,2 atmosphère.
En outre, lorsqu'un risque de pelage est craint en fonction de conditions (pression, vitesse) de meulage/polissage après le collage, il est avantageux que la surface de la tranche de silicium avant le collage soit soumise à un traitement d'activation avec du plasma en utilisant de l'oxygène, de l'azote, He, H2, Ar ou une atmosphère mixte pour augmenter la résistance du collage. En cas de collage direct, l'H2O adsorbé sur la surface devant être collée est changé en SiO2 par le biais du traitement thermique suivant pour se trouver sur l'interface collée, de sorte que la formation de SiO2 peut être supprimée en nettoyant les faces devant être collées avec du HF et en les collant ensuite au niveau de leurs faces hydrophobes l'une à l'autre. Ainsi, l'oxyde peut être réduit au niveau de l'interface collée pour entraîner l'amélioration des propriétés du dispositif.
(4) Etape de traitement thermique pour améliorer la résistance du collage Ensuite, le traitement thermique est effectué pour améliorer la résistance du collage. Ce traitement thermique est effectué à une température qui n'est pas inférieure à 1 000 °C pour accroître suffisamment la résistance du collage, de préférence, à une température pas inférieure à 1 100 °C, plus préférablement, à une température pas supérieure à 1 i oo °C pendant pas moins de 2 heures. L'atmosphère n'est pas particulièrement limitée, mais une atmosphère oxydante est préférable pour former un film d'oxyde ayant une épaisseur pas inférieure à 150 nm de sorte à protéger la face arrière de la tranche lors de l'étape de meulage consécutive.
(5) Etape d'amincissement de tranche pour couche active pour exposer la couche implantée avec des ions oxygène Ensuite, la tranche pour couche active est amincie par meulage et polissage pour exposer la couche implantée avec des ions oxygène.
Meulage La tranche pour couche active dans la tranche collée est réalisée par un meulage mécanique. Ce meulage permet de laisser une partie de la tranche pour couche active sur le côté de surface de la couche implantée avec des ions oxygène. L'épaisseur de la partie de la tranche pour couche active devant être laissé n'est pas particulièrement limitée.
Il est préférable d'opérer le meulage juste avant la couche implantée avec des ions oxygène afin de raccourcir le temps de l'étape de polissage consécutive. Cependant, étant donnée la précision du dispositif de meulage et la profondeur du dommage liée au meulage (environ 2 m), l'épaisseur de la couche de Si résiduelle va de préférence de 3 à 10 m.
Polissage Suite au meulage, la tranche pour couche active dans la tranche collée est polie pour exposer la couche implantée avec des ions oxygène.
Dans ce procédé de polissage, il est préférable d'opérer le polissage tout en fournissant une solution de polissage ayant une concentration abrasive ne dépassant pas 1 % en masse. En tant que solution de polissage, on peut mentionner une solution alcaline ayant une concentration abrasive (par exemple, silice) ne dépassant pas 1 % en masse. De plus, en tant que solution alcaline, on préfère une solution alcaline inorganique (KOH, NaOH ou similaire), une solution alcaline organique (par exemple, pipérazine composée principalement d'amine, éthylène diamine ou similaire), ou une solution mixte de celles-ci. Dans le procédé de meulage, étant donné que la concentration abrasive n'est pas supérieure à 1 % en masse, l'action de polissage mécanique avec les abrasifs est difficile, et l'action de polissage chimique est préférentielle. Ainsi, une partie (couche Si) de la tranche pour couche active est polie par l'action de polissage chimique avec la solution alcaline. Etant donné que la solution alcaline a un rapport de taux de gravure de Si/SiO2 élevé, la couche de Si en tant que partie de la tranche pour couche active peut être polie de façon efficace, tandis que la couche contenant plus d'un certain volume de particules SiO2 est difficilement polie. Même si la précision mécanique du dispositif polissant est insuffisante, seule la couche Si est polie sans polir sensiblement la couche implantée avec des ions oxygène, de sorte que la couche implantée avec des ions oxygène peut être exposée uniformément. Par conséquent, la couche implantée avec des ions oxygène du mode de 30 réalisation sert de couche d'arrêt de polissage ayant une fonction d'arrêt de polissage suffisamment importante. En gravant le Si avant le polissage, on adoucit une limite entre une terrasse (une région périphérique le plus à l'extérieur de 1 à 3 mm ne collant pas deux tranches l'une à l'autre) et la région collée, moyennant quoi l'occurrence de particules est supprimée. De plus, seule la terrasse peut être meulée avant le polissage.
(6) Etape d'élimination de la couche implantée avec des ions oxygène Dans ce mode de réalisation, on élimine la couche implantée avec des ions oxygène exposée. La couche implantée avec des ions oxygène est composée de Si amorphe contenant des atomes oxygène, et de Si et SiO2 partiellement recristallisés. En tant que procédé d'élimination, on peut utiliser un procédé de gravure, un procédé d'oxydation + gravure, un procédé de polissage et similaire.
Procédé de gravure Puisque les conditions insuffisantes sur la dose d'ions oxygène et le traitement thermique sont sélectionnés afin que la couche implantée avec des ions oxygène forme une couche SiO2 complète (couche BOX), il est préférable d'effectuer une gravure avec une solution HF contenant du SiO2 ou bien de graver avec une solution alcaline éliminant le Si ou une solution SC1 ou une solution d'ozone oxydant le Si et une solution HF éliminant le SiO2 formé par oxydation. Dans tous les cas, la solution HF est utilisée, de sorte qu'il est préférable d'opérer de façon répétée l'oxydation + HF jusqu'à ce que la surface de la tranche dans son ensemble soit modifiée en une surface hydrophobe, comme objectif de l'élimination de SiO2 après l'immersion dans la solution HF.
Procédé d'oxydation Ce procédé comprenant une étape de formation d'un film d'oxyde d'une 25 épaisseur donnée sur la surface exposée de la couche implantée avec des ions oxygène et une étape d'élimination du film d'oxyde obtenu. Puisqu'il suffit d'opérer l'oxydation dans une atmosphère oxydante, la température de traitement n'est pas particulièrement limitée, mais va de préférence de 600 à 1 100 °C dans l'atmosphère oxydante. Lorsque la température est inférieure à 30 600°C, la réaction d'oxydation ne se poursuit pas, et de ce fait, le film d'oxyde ne peut pas être éliminé avec une solution HF. Alors que lorsqu'elle dépasse 1 000 °C, les défauts du cristal introduits par l'implantation d'ions oxygène s'étendent dans la couche SOI, et en conséquence, les défauts du cristal augmentent.
Lorsque l'oxydation est opérée à une température inférieure, une oxydation en milieu humide utilisant une vapeur H2O ou une oxydation à l'acide chlorhydrique avec un gaz oxydant incluant un gaz HC 1 peut être appliquée pour augmenter un taux de croissance du film d'oxyde, ce qui est préférable pour obtenir un rendement élevé. L'épaisseur du film d'oxyde n'est pas particulièrement limitée, mais il est préférable qu'elle soit plus grande qu'une épaisseur d'une couche de défauts de cristal si la couche de défauts de cristal existe dans la couche implantée avec des ions oxygène, il est particulièrement préférable qu'elle soit de 100 à 500 nm environ dans les conditions d'implantation d'ions oxygène selon le mode de réalisation. Alors que l'épaisseur du film d'oxyde est inférieure à 100 nm, la couche de cristal Si ou la couche amorphe Si contenant SiO2 ne peut pas être éliminée de façon suffisante dans les conditions d'implantation d'ions oxygène selon le mode de réalisation, alors que si elle dépasse 500 nm, l'uniformité de l'épaisseur de la couche active est altérée en raison de la rupture de l'uniformité d'épaisseur dans le plan dans le film d'oxyde. L'élimination du film d'oxyde peut être effectuée par nettoyage avec une solution HF ou par gravure par le biais d'un recuit avec un gaz hydrogène ou un gaz Ar ou un gaz contenant HF. A ce stade, le traitement d'oxydation et le traitement d'élimination ci-dessus peuvent être effectués plusieurs fois. Ainsi, il est possible d'opérer en outre un amincissement de la couche active tout en maintenant la rugosité de surface planarisée. Après l'élimination du film d'oxyde, il est avantageux d'éliminer les particules et l'impureté métallique fixées à la surface de la tranche collée, par exemple, en immergeant la tranche collée dans une solution mixte d'un acide organique et d'un acide fluorhydrique.
(7) Etape de planarisation et/ou d'amincissement de surface de tranche pour couche active Ensuite, la surface de la tranche pour couche active est soumise à planarisation et similaire. Etant donné que la surface de la tranche collée après l'élimination de la couche implantée avec des ions oxygène est rugueuse par rapport au polissage miroir, il est souhaitable qu'elle soit planarisée. En tant que planarisation, on applique un traitement thermique dans une atmosphère réductrice, un procédé de polissage, une gravure au gaz avec un gaz, des ions ou un radical capable de graver le Si et similaire.
Procédé de polissage La surface de la tranche collée est légèrement polie pour améliorer la rugosité de surface. La marge de polissage est de préférence d'environ 10 à 500 nm. Lorsque la marge est inférieure à 10 nm, la rugosité de surface ne peut pas être améliorée de façon suffisante, alors que lorsqu'elle dépasse 500 nm, l'uniformité d'épaisseur de la couche active est altérée. Par ce traitement, on peut amener la rugosité de surface (RMS) à pas plus de 0,5 nm.
Traitement thermique dans une atmosphère réductrice La rugosité de surface de la tranche collée est améliorée par traitement thermique dans de l'Ar, H2 ou une atmosphère mixte. La température de traitement thermique est de préférence inférieure à 1 000 °C mais pas supérieure à 1 300 °C. Le temps de traitement thermique devient long lorsque la température devient inférieure, et est de préférence d'environ 1 à 2 heures à une température allant de 1 000 à 1 200 °C, d'environ 10 à 30 minutes à une température allant de 1 200 à 1 250 °C et d'environ 1 à 5 minutes au-dessus de 1 250 °C. Si le traitement thermique est opéré dans des conditions de températures plus élevées et pendant un temps plus long dépassant les valeurs ci-dessus, il existe un risque de détérioration de l'uniformité de l'épaisseur dans le plan de la couche active en raison de l'action de gravure de l'atmosphère réductrice. Lorsqu'une activation de surface utilisant du plasma ou similaire est opérée 25 comme un prétraitement pour le collage, le traitement thermique à une température pas inférieure à 1 100 °c n'est pas nécessairement requis. En tant que four de traitement thermique, on préfère un four vertical de type à chauffage par résistance capable de traiter simultanément plusieurs tranches, un four RTA (four haute vitesse à température croissante-décroissante) de type à chauffage à 30 lampe traitant des tranches individuelles, etc. En particulier, un RTA est efficace pour un traitement à une température pas inférieure à 1 200 °C. Par ce traitement thermique, la rugosité de surface (RMS) peut être amenée à pas plus de 0,5 nm, tout comme avec le procédé de polissage.
Le film d'oxyde généré sur la surface par ce traitement thermique peut être éliminé par nettoyage avec une solution HF ou par gravure par le biais d'un recuit avec du gaz hydrogène, du gaz Ar ou un gaz contenant HF. Ainsi, on peut obtenir une tranche collée ayant une uniformité d'épaisseur 5 excellente, présentant moins de défauts et ayant une rugosité de surface fortement améliorée.
Exemple Il est prévu 4 ensembles de tranches de silicium de 300 mm de diamètre 10 tranchées à partir d'un lingot de silicium préparé grâce au procédé CZ et dopées avec du bore, sur lesquels trois ensembles sont des exemples basés sur le mode de réalisation ci-dessus et un ensemble est l'exemple comparatif. L'une des deux tranches de silicium dans chaque ensemble est une tranche pour couche active et l'autre est une tranche pour couche de support. 15 La tranche pour couche active de chaque ensemble est soumise à un traitement thermique dans une atmosphère oxydante à 1 000 oc pendant 3 heures de manière à former un film d'oxyde d'une épaisseur de 150 nm sur celui-ci. Ensuite, l'implantation d'ions oxygène est réalisée depuis la surface de la tranche pour couche active dans chaque ensemble à une tension d'accélération de 20 200 keV. Dans ce cas, la température de substrat de chaque ensemble est de 300 à 500°C et la dose est de 1 x 1017 atomes/cm2 pour trois ensembles d'exemples et 0,5 x 1017 atomes/cm2 pour un ensemble de l'exemple comparatif, respectivement. Afin de favoriser la formation de SiO2, une couche amorphe est formée en implantant 5 x 1015 atomes/cm2 d'ions oxygène à 200 keV et à une température de substrat de la 25 température ambiante à une température inférieure à 200°C. En conséquence, une couche implantée avec des ions oxygène est formée à une position de profondeur d'environ 600 à 800 nm de la surface de la tranche pour couche active dans chaque ensemble. Ensuite, la tranche pour couche active dans chaque ensemble est soumise à un 30 traitement thermique (recuit) avant collage dans une atmosphère non oxydante (Ar), moyennant quoi la couche implantée avec des ions oxygène est rendue continue. Cependant, la température de traitement thermique pour trois ensembles d'exemples est 1 100°C, 1 200°C et 1 350°C, respectivement et le temps de maintien est pour 1 heure, tandis que la température de traitement thermique pour un ensemble de l'exemple comparatif est 1 100°C et le temps de maintien est pour 1 heure. Ensuite, les deux tranches dans chaque ensemble sont nettoyées avec du HF et de l'ozone pour éliminer les particules de la surface devant être collée et collées par la suite l'une à l'autre dans chaque ensemble. Par la suite, la tranche collée dans chaque ensemble est soumise à un traitement thermique (recuit) après le collage pour coller solidement les interfaces de collage des deux tranches. Les conditions du traitement thermique sont de 1 100°C dans une atmosphère de gaz oxydant pendant 2 heures et un film d'oxyde d'une épaisseur d'environ 200 à 400 nm est formé depuis la face arrière de la tranche collée en tant que film de protection de face arrière pour le traitement suivant. Ensuite, la tranche pour couche active dans la tranche collée de chaque ensemble est meulée d'une épaisseur donnée depuis la surface de celle-ci en utilisant un dispositif de meulage. C'est-à-dire que le traitement de meulage est réalisé sur le côté surface de la couche implantée avec des ions oxygène de manière à laisser une partie de la tranche pour couche active (correspondant à une épaisseur d'environ 5 m) sur celle-ci. Ensuite, la couche implantée avec des ions oxygène est exposée en polissant la surface de chaque tranche collée après le meulage tout en alimentant un agent de polissage ayant une concentration abrasive (silice) ne dépassant pas 1 % en masse. Comme agent de polissage, on utilise une solution alcaline ayant une concentration abrasive ne dépassant pas 1 % en masse. La solution alcaline est une solution alcaline organique composée principalement d'amine (par exemple pipérazine, éthylène diamine ou similaire).
Par la suite, chaque tranche collée est soumise à un traitement d'oxydation en milieu humide dans une atmosphère oxydante à une température de 950 °C pendant 0,5 heure. En conséquence, un film d'oxyde ayant une épaisseur donnée se forme sur la surface exposée de la couche implantée avec des ions oxygène, moyennant quoi toute la couche de cristal de Si ou la couche amorphe de Si contenant des particules de SiO2 est convertie en un film d'oxyde (SiO2). Ensuite, un tel film d'oxyde est retiré par gravure par HF (concentration de HF : 10 %, température : 20 °C). Après le retrait du film d'oxyde, l'épaisseur de la couche active exposée est uniformisée et amincie en surface.
Ensuite, chaque tranche collée est nettoyée grâce au traitement suivant. Tout d'abord, la tranche collée est immergée dans une solution d'ozone aqueuse ayant une concentration en ozone de 5 ppm, une solution aqueuse contenant 0.06 % en masse d'acide citrique comme acide organique dans de l'eau pure, une solution aqueuse contenant 0.05 % en masse d'acide fluorhydrique, une solution aqueuse contenant 0.6 % en masse d'acide citrique comme acide organique dans de l'eau pure et enfin une solution d'ozone aqueuse ayant une concentration en ozone de 5 ppm dans cet ordre, respectivement. Chacun des traitements d'immersion est mené à température ambiante pendant 5 minutes. Grâce à ce traitement de nettoyage, sont éliminées les impuretés et particules métalliques de la surface de chaque tranche collée. Après le nettoyage ci-dessus, chaque tranche collée est soumise à un traitement thermique dans une atmosphère d'argon à 1 100 oc pendant 2 heures pour finir la tranche collée. Les figures 3(a) et 3(b) montrent les résultats de la répartition d'oxygène dans une direction d'épaisseur tels qu'analysés grâce à un spectromètre de masse des ions secondaires (SIMS), les conditions d'implantation d'ions oxygène et les résultats de l'arrêt de polissage par rapport aux tranches collées de trois exemples et d'un exemple comparatif obtenus comme ci-dessus. Dans les exemples utilisant la dose de 1,05 x 1017 atomes/cm2 et la température de traitement thermique avant collage de 1 200 °C ou de 1 350 °C, la concentration en oxygène moyenne dans la couche d'arrêt (couche implantée avec des ions oxygène) montre clairement un seul pic et la première valeur différentielle de répartition de concentration en oxygène moyenne dans la couche implantée avec des ions oxygène dans une direction vers l'intérieur depuis le côté de surface implantée (surface d'extrémité droite de la couche de Si supérieure sur la figure) est positive. Dans l'exemple utilisant la dose de 1,05 x 10i7 atomes/cm2 et la température de traitement thermique avant collage de 1 100 °C, la concentration en oxygène moyenne dans la couche d'arrêt (couche implantée avec des ions oxygène) montre deux pics bien qu'ils ne soient pas définis.
Dans l'exemple comparatif utilisant la dose de 0,55 x 1017 atomes/cm2 et la température de traitement thermique avant collage de 1 100 °C, la concentration en oxygène moyenne dans la couche d'arrêt (couche implantée avec des ions oxygène) montre un pic légèrement arrondi.
En conséquence de la recherche sur ces états d'arrêt de polissage, deux exemples utilisant 1 200 °C et 1 350 °C montrent l'état suffisamment correct et le troisième exemple utilisant 1 100°C montre un état correct par rapport à l'exemple comparatif, tandis que l'irrégularité est observée dans l'exemple comparatif utilisant 1 100 °C. La figure 4(a) montre un résultat d'analyse d'une structure d'une couche implantée avec des ions oxygène (couche d'arrêt) après l'arrêt de polissage dans la tranche collée de l'exemple ci-dessus au moyen d'une spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS). Les figures 4(b) et 4(c) montrent l'image d'un spectre de Si (portion blanche et portion grise) et une image de spectre de O (portion blanche) dans une zone cadrée de la couche implantée avec des ions oxygène sur la figure 4(a). Afin qu'un agrégat de particules de SiO2 (pas de SiOX) existe dans la matrice de Si après l'arrêt de polissage, la fraction de volume de la concentration en oxygène moyenne ne doit pas être inférieure à 30 %. Si la fraction de volume est inférieure à 30 %, les particules de SiO2 diminuent au cours du polissage. La figure 5(a) montre un résultat d'analyse d'une structure d'une couche implantée avec des ions oxygène (couche d'arrêt) après l'arrêt de polissage dans la tranche collée de l'exemple ci-dessus comme sur la même portion que sur la figure 4(a) au moyen d'une spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS). La figure 5(b) montre des spectres pour trois points P1, P2 et P3 dans cet ordre depuis un côté de surface au sein d'une zone cadrée de la couche implantée avec des ions oxygène sur la figure 5(a). Les figures 5(c) et 5(d) montrent des spectres types de Si et de SiO2 de manuels scolaires. Ainsi, on voit que le SiO2 existe clairement au niveau d'un point le plus externe P1 dans la portion blanche de la figure 4(c) et que le Si existe clairement au niveau d'un point le plus interne P3 et d'un point central P2 dans une portion blanche et une portion grise de la figure 4(b). Dans le procédé de production d'une tranche collée selon l'invention, il est possible de prévoir une couche implantée avec des ions oxygène ayant une fonction d'arrêt de polissage suffisamment importante pour servir en tant que couche d'arrêt de polissage et capable d'implanter à faible coût des ions oxygène au cours de la production de la tranche collée, de telle sorte qu'une tranche collée ayant une excellente uniformité d'épaisseur de la couche active puisse être produite à faible coût.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
Claims (3)
- REVENDICATIONS1. Procédé de production d'une tranche collée consistant à coller une tranche pour couche active sur une tranche pour couche de support, qui comprend une série d'étapes comprenant : (1) une étape d'implantation d'ions oxygène dans la tranche pour couche active pour 5 former une couche implantée avec des ions oxygène ; (2) une étape de collage de la surface implantée avec des ions oxygène de la tranche pour couche active sur la tranche pour couche de support directement ou par le biais d'un film isolant ; (3) une étape de réalisation d'un traitement thermique pour accroître une résistance 10 de collage de la tranche collée, (4) une étape d'amincissement d'une partie de la tranche pour couche active dans la tranche collée pour exposer la couche implantée avec des ions oxygène ; et (5) une étape d'élimination de la couche implantée avec des ions. oxygène de la tranche pour couche active dans la tranche collée, dans laquelle 15 une fraction volumique de particules SiO2 dispersée dans le silicium dans la couche implantée avec des ions oxygène, formée lors de l'étape (1) d'implantation d'ions oxygène dans la tranche pour couche active ou lors de l'étape d'implantation précitée et l'étape de traitement thermique consécutive, est définie à une valeur pas inférieure à 30 %, mais pas supérieure à 80 % ; et 20 lors de l'étape (4) d'amincissement de la portion de la tranche pour couche active, la couche implantée avec des ions oxygène formée dans l'étape (1) d'implantation d'ions oxygène dans la tranche pour couche active est utilisée comme une couche d'arrêt de polissage pour polir au moins la portion de la tranche pour couche active.
- 2. Procédé de production d'une tranche collée selon la revendication 1, dans lequel 25 lors de l'étape (1) d'implantation d'ions oxygène dans la tranche pour couche active, des ions oxygène sont implantés de sorte qu'une première valeur différentielle de répartition de concentration en oxygène moyenne depuis le côté de surface implanté dans la couche implantée avec des ions oxygène vers une partie intérieure de celle-ci est positive.
- 3. Procédé de production d'une tranche collée selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'étape (5) d'élimination de la couche implantée avec des ions oxygène est en outre suivie par (6) une étape de planarisation et/ou d'amincissement de la surface de la tranche pour couche active dans la tranche collée.
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