FR2938118A1

FR2938118A1 - Procede de fabrication d'un empilement de couches minces semi-conductrices

Info

Publication number: FR2938118A1
Application number: FR0857409A
Authority: FR
Inventors: Didier Landru
Original assignee: Soitec SA
Current assignee: Soitec SA
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2010-05-07
Anticipated expiration: 2028-10-30
Also published as: CN102187451A; FR2938118B1; TW201030841A; EP2345067B1; EP2345067A1; WO2010049496A1; JP2012507167A; US20110177673A1; US8513092B2; JP5681975B2; TWI463564B

Abstract

Procédé de fabrication de structures semiconductrices empilées de type UTBOX, ce procédé comprenant : a) la formation d'une couche d'isolant électrique sur un substrat donneur, b) l'introduction d'éléments dans le substrat donneur à travers la couche d'isolant, c) la formation d'une couche d'isolant électrique, sur un deuxième substrat dit substrat final, d) le collage des deux substrats, les deux couches d'isolant limitant la diffusion de l'eau et formant une couche d'isolant enterrée entre les deux substrats, d'épaisseur inférieure à 50 nm, la couche d'oxyde donneur ayant, lors du collage, une épaisseur au moins égale à celle de la couche d'oxyde de collage.

Description

1 PROCEDE DE FABRICATION D'UN EMPILEMENT DE COUCHES MINCES SEMI-CONDUCTRICES.

DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE et ETAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans le domaine de la fabrication de structures de type SOI, comprenant une couche d'oxyde enterré mince (inférieure à 1 }gym) contenue entre une couche de matériau semi-conducteur mince et un substrat final, un des problèmes majeurs apparaissant lors de la réduction des dimensions de la couche d'oxyde est la formation de défauts à l'interface de collage. La présence de ces défauts peut être tueuse pour la structure semi-conductrice finale. Certains de ces défauts, des cloques d'hydrogène, apparaissent lors de recuits en température (S Mack et al. Journal of Electrochemical society. Vol. 144, p.1106, 1997). En contact avec le matériau semi-conducteur d'un des deux substrats, les molécules d'eau apportées à l'interface de collage lors du collage moléculaire vont réagir avec les matériaux des substrats et produire de l'hydrogène, ou toute autre espèce de résidu de réaction, lié au matériau semi-conducteur. Lors des recuits à des températures supérieures à 400°C, l'hydrogène lié désorbe et devient gazeux. Avec la montée en température, la pression augmente et il peut se former des cloques. Dans la suite les résidus de réactions entre de l'eau et un des substrat pouvant former des cloques seront regroupés sous l'appellation hydrogène mais peuvent concerner d'autres gaz. 2 La formation des cloques est peu critique pour la qualité des structures de type SOI lorsque la couche d'oxyde enterré et les substrats situés de part et d'autre de la couche d'oxyde enterré ont des épaisseurs importantes. La formation de ces défauts devient par contre vraiment critique pour la réalisation de structures de type UTBOX (Ultra Thin Burried Oxid), ayant un oxyde enterré (BOX) ultra fin, inférieur à 50 nm ou 25 nm ou 15 nm par exemple.

Ceci est illustré par la figure 4 dans laquelle sont présentées, pour trois populations d'échantillons, des mesures de défectuosité (en ordonnée) obtenues pour des structures de type SOI en fonction de l'épaisseur de la couche d'oxyde, dite BOX (en abscisse). La population de mesures rassemblées dans la courbe A se rapporte au procédé selon l'état de la technique et les deux autres populations (courbes B et C) se rapportent à des procédés selon l'invention. Les courbes B et C seront commentées plus loin, en liaison avec la description de l'invention. Pour les données se référant à la courbe A, les échantillons ayant une épaisseur d'oxyde BOX de 50 nm présentent légèrement plus de défauts que ceux dont l'oxyde enterré mesure près épaisseur est encore réduite, densité de défaut devient très que la production de structures connu de l'état de la technique épaisseurs d'oxyde de l'ordre de de 140 nm. Quand cette proche de 15 nm, la critique. Ceci montre UTBOX selon le procédé est difficile pour des 30nm ou inférieurs. 3 Une solution utilisée dans le but de résoudre ce problème est de ne procéder à aucun traitement à température T strictement supérieure à 400°C.

Mais cette solution empêche la consolidation de l'interface de collage qui doit se faire à une température supérieure à 400°C, en général de l'ordre de 700°C à 1300°C. Cette méthode limite de plus les types de procédés autorisés lors de l'utilisation industrielle du dispositif ainsi obtenu, et donc cela limite les applications d'un tel dispositif UTBOX. On cherche donc des méthodes pour pallier ce problème.

EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a pour but de résoudre les problèmes précités, à savoir l'amélioration de la défectuosité après assemblage d'une structure de type UTBOX, en particulier en ce qui concerne la formation de défauts de type cloques. Pour y parvenir, l'invention propose d'éloigner la couche d'eau, apparaissant à l'interface de collage, des matériaux des substrats avec lesquels l'eau réagit en formant de un produit de réaction gazeux, comme de l'hydrogène. Ceci se fait en formant, avant collage, des couches de matériau isolant ayant une propriété barrière à la diffusion de l'eau, ou limitant cette diffusion, sur chacun des substrats collés, ces couches d'isolant étant à l'interface de collage et formant ensuite une couche d'isolant 4 enterrée. Dans le cas d'une structure UTBOX ayant un oxyde enterré à base de SiO2 cette couche d'isolant enterrée correspondant alors à la couche d'oxyde enterré.

Plus précisément, l'invention concerne tout d'abord un procédé de fabrication de structures semi-conductrices empilées de type UTBOX, ce procédé comprenant . a) la formation d'une première couche d'isolant électrique, formant barrière à la diffusion de l'eau ou étant apte à limiter cette diffusion, dit oxyde donneur, sur un substrat donneur, b) l'introduction, précédant ou suivant la formation de la couche d'oxyde donneur, d'éléments dans le substrat donneur, formant une couche fragilisée, c) la formation d'une deuxième couche d'isolant électrique, formant barrière à la diffusion de l'eau ou étant apte à limiter cette diffusion, dit oxyde de collage, sur un deuxième substrat dit substrat final, d) le collage des deux substrats, les deux couches d'isolant électrique étant amenées en contact et formant ensemble une couche d'isolant enterrée entre les deux substrats, dite couche d'oxyde enterré, les couches d'isolant étant telles que, lors du collage, la couche d'oxyde donneur a une épaisseur au moins égale à celle de la couche d'oxyde de collage, l'épaisseur de la couche d'isolant enterrée 30 (et), après collage, étant inférieure à 50 nm, avantageusement inférieure à 20 nm, et préférentiellement inférieure à 15 nm ou à 12 nm. Dans un procédé selon l'invention, les couches d'isolant sont dans un matériau formant 5 barrière à la diffusion de l'eau ou limitant cette diffusion. Cette dénomination, dans le cadre de cette invention, signifie que hormis la dégradation imposée à la couche d'oxyde donneur par l'étape d'implantation ionique, il n'y a pas de traitement susceptible de venir détériorer la qualité de barrière à la diffusion de l'eau de ces couches d'isolant. L'isolant est préférentiellement un isolant du type diélectrique, ce peut être une couche de nitrure ou ce peut avantageusement être une couche d'oxyde, par exemple de l'oxyde de silicium. Dans la suite de la description on prend l'exemple des couches d'oxyde. Le collage isolant-isolant ainsi effectué permet de réduire la cinétique de production d'hydrogène et limite donc la formation des cloques. En effet, les molécules d'H2O introduites à l'interface de collage lors de l'assemblage, sont comprise entre deux épaisseurs d'isolant ; avant de réagir avec le matériau d'un des substrats pour former des radicaux d'hydrogène, les molécules d'eau doivent traverser ces couches d'isolant. Ainsi les couches d'oxyde, ayant une propriété de barrière à la diffusion de l'H2O ou limitant cette diffusion, ralentissent la formation d'hydrogène et donc de cloques ce qui améliore la fiabilité des structures semi-conductrices ainsi formées. 6 Dans un procédé selon l'invention, l'introduction d'éléments dans le substrat donneur peut se faire à travers la couche d'oxyde donneur, la couche d'oxyde de collage est alors avantageusement strictement plus fine que la couche d'oxyde donneur. En effet, dans un procédé selon l'invention, l'oxyde final est composé de deux couches d'oxyde mises en contact. Lors de l'étape d'assemblage, dans un procédé selon l'invention, le ratio des épaisseurs des couches d'oxydes à assembler peut être telle que l'épaisseur relative de la couche d'oxyde issue de la couche d'oxyde donneur est strictement supérieure à 50% et inférieure ou égale à 95% de l'épaisseur cumulée des couches d'oxyde à assembler.

Avantageusement, l'épaisseur relative de la couche d'oxyde donneur à assembler est comprise entre 60% et 85% de l'épaisseur cumulée des couches d'oxyde à assembler. De préférence, cette épaisseur relative est comprise entre 70% et 80% de l'épaisseur finale d'oxyde, par exemple 75%. Dans un procédé selon l'invention, une étape de nettoyage des substrats peut précéder la mise en contact des couches d'oxydes et l'assemblage des substrats. Une gravure de l'oxyde peut alors avoir lieu, conduisant à une réduction des épaisseurs des couches d'oxyde traitées. Pour pallier cette réduction des épaisseurs des couches d'oxyde, les épaisseurs des couches d'oxydes initiales sont choisies de façon à obtenir après nettoyage des épaisseurs d'oxyde selon l'invention et notamment selon les proportions indiquées ci-dessus. L'épaisseur cumulée des deux 7 couches d'oxyde formées initialement est alors plus importante que l'épaisseur de l'oxyde enterré du dispositif final. Après un tel nettoyage, la structure du matériau isolant est inchangée, l'oxyde est toujours en matériau formant barrière à la diffusion de l'eau. Dans un procédé selon l'invention, le substrat donneur et/ou le substrat final peuvent être en matériau semi-conducteur, par exemple en silicium. Les deux substrats peuvent être en matériaux de coefficients d'expansion thermique (CIE) différents, pouvant par exemple être en quartz, ou en saphir ou en un polymère ou en un matériau semi-conducteur différent du matériau du substrat donneur ou en un autre matériau X pour lequel il y a une réaction du type H2O+ XH X02 + H2, ou formant un autre produit de réaction gazeux. Le substrat donneur peut ensuite être aminci par fracture du substrat, par exemple du type connu sous le nom de Smart-Cut . Ce procédé peut être effectué dans les conditions décrites par exemple dans l'article de B. Aspar et A.J. Auberton-Hervé Silicon Wafer Bonding Technology for VLSI and MEMS applications , edited by S.S. Iyer and A.J. Auberton-Hervé, 2002, INSPEC, London, Chapter 3, pages 35-52. Avantageusement, la fracture du substrat peut être effectuée au cours d'un traitement thermique basse température, par exemple à une température inférieure à 400°C ; plus de détails sont donnés plus bas. Un traitement thermique, appelé recuit, avec une température comprise entre 700°C et 1100°C et avec une rampe de montée en température supérieure à 8 10°C/s ou avantageusement supérieure à 20°C/s peut être appliquée après l'amincissement de façon à consolider l'interface de collage et minimiser la durée d'exposition du dispositif à des températures comprises entre 400°C et 700°C, qui correspondent à la gamme de température dans laquelle la cinétique de formation de cloques est importante et est la moins favorable à la qualité de la structure semi-conductrice finale. Le recuit à une température supérieure à 700°C permet une évacuation de l'hydrogène captif, présent au niveau de l'interface de collage ou au niveau des interfaces entre les substrats et les couches d'oxyde, par diffusion dans le matériau semi-conducteur.

Dans l'intervalle de température 400°C-700°C, pour le silicium, il y a formation de cloques du fait du dégagement d'hydrogène gazeux. La pression résultante déforme les matériaux des deux substrats collés et forme des cloques et peut causer la rupture de la structure finale lors de traitements ultérieurs ou pendant le traitement thermique de fracture du substrat ou de consolidation. Une rampe de température importante, telle que mentionnée ci-dessus (au moins 10°C/s), permet de minimiser le passage dans cet intervalle de température critique et permet donc d'atteindre la température de diffusion de l'hydrogène dans le matériau semi-conducteur (proche de 700°C) avant que la pression dans les cloques ne fragilise le dispositif de façon irrémédiable.

Il est à noter que l'intervalle critique de température mentionné dépend principalement de 9 l'épaisseur de la couche superficielle et du type de matériau. Par exemple pour une épaisseur de couche superficielle de silicium inférieure à 10 nm, cet intervalle critique peut être entre 350°C et 700°C au lieu de l'intervalle 400°C-700°C prévu pour un dispositif ayant une couche d'oxyde comprise entre 10 et 20 nm. Cet intervalle va aussi varier si les substrats utilisés sont à base de SiGe ou d'AsGa ou d'un autre matériau semi-conducteur. Mais on cherche là aussi à : - optimiser la répartition des épaisseurs des couches d'isolant formant barrière à la diffusion en oxyde ou limitant cette diffusion, - minimiser les temps de traitements thermiques compris dans l'intervalle critique de température. Des essais peuvent permettre d'identifier plus précisément l'intervalle de température critique si un procédé selon l'invention est appliqué.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Les figures 1A à 1F représentent un premier mode de réalisation d'un procédé selon l'invention. Les figures 2A à 2G représentent un deuxième mode de réalisation d'un procédé selon l'invention, dans lequel il est formé des épaisseurs d'oxyde plus importantes que l'épaisseur voulue pour le dispositif final. La figure 3 illustre des résultats d'expérience de défectuosité obtenus par les inventeurs en fonction des ratios des épaisseurs des couches 10 d'oxydes par rapport à l'épaisseur finale d'oxyde dans le cas du SiO2 et de substrats en silicium. La figure 4 illustre des résultats d'expérience de défectuosité en fonction de l'épaisseur de la couche d'oxyde finale, obtenus par les inventeurs et montrant l'efficacité d'un procédé selon l'invention pour créer des structures UTBOX ayant une faible épaisseur d'oxyde. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'invention concerne un procédé de fabrication de systèmes de couches empilées semi-conductrices de type SOI, et plus particulièrement de type UTBOX, c'est-à-dire avec épaisseur de couche d'isolant enterrée ultra fine.

Le procédé est illustré selon deux modes de réalisation dans les figures 1A à 1F et 2A à 2G, une référence correspondant à un même élément sur les différentes figures. Le premier mode de réalisation (figures 1A à 1F) concerne un procédé de fabrication de structures SOI à couche d'isolant enterrée fine, inférieure à 50 nm ; avantageusement cette couche d'isolant est inférieure à 20 nm, et préférentiellement inférieure à 15 nm, elle peut être aussi inférieure à 10 ou 7 nm.

L'isolant est préférentiellement un isolant électrique, ce peut être une couche de nitrure ou peut avantageusement être une couche d'oxyde, par exemple de l'oxyde de silicium. Dans la suite de la description on prend l'exemple des couches d'oxyde mais ce n'est pas limitatif. Comme expliqué précédemment, dans un procédé 11 suivant l'invention, lors du collage, la couche d'isolant est en matériau apte à former barrière de diffusion à l'eau ou à limiter cette diffusion. Selon le premier mode de réalisation d'un procédé selon l'invention, on forme une couche d'oxyde mince 4 à la surface d'un substrat (figure 1A), dit substrat donneur 2, qui est par exemple en matériau semi-conducteur, avantageusement en silicium. Cette couche d'oxyde, dite couche d'oxyde donneur, a une épaisseur el et peut être formée par exemple par oxydation thermique du substrat donneur 2 ou éventuellement par dépôt d'oxyde. Précédant ou suivant la formation de la couche d'oxyde donneur 4, des éléments de dopages sont introduits dans le substrat donneur, pour former une couche fragilisée 21, avantageusement cela se fait par une implantation d'éléments atomiques ou ioniques, par exemple une co-implantation d'hélium et d'hydrogène (figure 1B), par exemple à travers la couche d'oxyde donneur 4. Cette couche fragilisée 21 peut avantageusement être introduite en prévision d'un amincissement par fracture du substrat. Pour ce mode de réalisation de l'invention ainsi que pour les modes de réalisation suivant, ce procédé de fracture du substrat peut être du type du procédé de fracture de substrat Smart CutTM . Ce procédé est décrit par exemple dans l'article de B. Aspar et A.J. Auberton-Hervé Silicon Wafer Bonding Technology for VLSI and MEMS applications , edited by S.S. Iyer and A.J. Auberton-Hervé, 2002, INSPEC, London, Chapter 3, pages 35-52. 12 Les densités de chacun des éléments de dopage introduits peuvent être avantageusement comprises entre 1.10+16 at. cm 3 et 1.10+19 at. cm-3 . La dose d'implantation alors utilisée, de l'ordre de 1.10+14 at. cm 2 et 1.10+16 at. cm 2, est adaptée à l'épaisseur el de la couche d'oxyde donneur, à la densité prévue pour chaque élément de dopage, et à l'épaisseur de matériau semi-conducteur 20 voulue après la fracture.

Ensuite, ou en parallèle, ou avant les opérations décrites précédemment, une couche d'oxyde mince 5, dite couche d'oxyde de collage, est formée sur un deuxième substrat, dit substrat final 3, par exemple par oxydation thermique du substrat final 3 ou éventuellement par dépôt de cet oxyde. Cette couche d'oxyde a une épaisseur e2, au moins égale à l'épaisseur de la couche d'oxyde donneur. Ce substrat est avantageusement en matériau semi-conducteur mais peut également être en un autre matériau, par exemple en quartz ou tout type de substrat en un matériau X dans lequel la réaction de collage conduit à une oxydation du type : H2O + matériaux X H> X02 + H2, ou tout autre produit de réaction gazeux. Les deux substrats 2 et 3 sont ensuite assemblés, la couche d'oxyde donneur 4 et la couche d'oxyde de collage 5 étant mises en contact (figure 1D). Il se produit alors un collage de type oxyde-oxyde générant une couche d'oxyde, dite oxyde final ou couche d'oxyde enterré, située entre les deux substrats 2 et 3 et composée des couches d'oxyde donneur 4 et d'oxyde de 13 collage 5 (dans la figure 1F cette couche composite est représentée par la couche d'oxyde enterré 45). La couche d'oxyde enterré ainsi obtenu a donc une épaisseur et inférieure ou égale à 50 nm, avantageusement inférieure ou égale à 20 nm, préférentiellement inférieure ou égale à 15 nm, par exemple 11,7 nm. La répartition des épaisseurs des couches d'oxydes à assembler est telle que l'épaisseur relative de la portion de la couche d'oxyde enterré 45 issue de la couche d'oxyde donneur 4 peut être égale à 50% ou, dans le cas où l'introduction d'éléments de dopage se fait à travers la couche d'oxyde donneur, strictement supérieure à 50% et inférieure ou égale à 95% de l'épaisseur cumulée des couches d'oxyde à assembler. Dans le cadre de l'invention on appelle épaisseur relative de la couche d'oxyde donneur par rapport à la couche d'oxyde enterré le ratio entre l'épaisseur de la couche d'oxyde donneur et l'épaisseur de la couche d'oxyde enterré. Dans le cas où il n'y a pas de précision, l'épaisseur relative d'une couche A est l'épaisseur relative de la couche A par rapport à la couche d'oxyde enterrée. Dans un procédé selon l'invention, les couches d'oxyde sont formées soit par une étape d'oxydation contrôlée - par exemple par exposition du substrat à un environnement riche en oxygène et à haute température, soit par un dépôt d'oxyde, par exemple par CVD ou par ALD. Inversement une couche d'oxyde natif, issue de la simple exposition du substrat à l'atmosphère environnante ne convient pas telle quelle. 14 En effet, cet oxyde est relativement poreux et ne peut former une couche barrière à la diffusion efficace. Néanmoins, on peut envisager de conférer à cette couche d'oxyde natif cette caractéristique de barrière à la diffusion , en procédant à un recuit, dit recuit de densification, par exemple sous atmosphère neutre, entre 200°C et 800°C pendant une durée pouvant aller de quelques minutes à plusieurs heures. D'une manière générale, il est préférable de procéder à ce recuit de densification pour les oxydes natifs et pour certains oxydes déposés qui peuvent présenter un niveau de porosité les rendant inapte à former une barrière de diffusion à l'eau efficace. Dans le cas où l'introduction d'éléments de dopage se fait à travers la couche d'oxyde donneur, cette épaisseur relative de la portion de la couche d'oxyde enterré 45 issue de la couche d'oxyde donneur 4, est comprise avantageusement entre 60 et 95% et préférentiellement entre 70% et 80% de l'épaisseur cumulée des couches d'oxyde assemblées lors du collage, c'est-à-dire l'épaisseur de la couche d'oxyde enterré. Par exemple, l'épaisseur el d'oxyde donneur à assembler 4 peut être de 8,4 nm si l'épaisseur e2 d'oxyde de collage à assembler 5 est de 3,3 nm. Dans un procédé selon l'invention, l'épaisseur de la couche d'oxyde enterré peut aussi être inférieure à 10 nm ou inférieure à 7 nm. Dans un procédé selon l'invention le dispositif composé des substrats 2 et 3 assemblés, ainsi que de leurs différentes couches superficielles, peut ensuite être soumis un recuit de façon à fracturer 15 le substrat donneur au niveau de la couche fragilisée 21 (figure 1E). Le procédé de rupture peut par exemple être adapté pour que la température de recuit ne dépasse pas 400°C, et avantageusement ne dépasse pas 350°C. Puis, éventuellement on peut polir la surface fracturée (figure 1F). L'interface de collage peut être consolidée par un recuit, avant ou après le polissage.

De façon avantageuse, après rupture du substrat donneur, mais avant ou à la place de l'éventuel recuit de consolidation de l'interface de collage, la structure semi-conductrice obtenue peut être soumise à un recuit de stabilisation de l'interface à température comprise entre 700°C et 1300°C, la montée en température se faisant avec une rampe de température supérieure à 10°C/sec, et préférentiellement supérieure à 20°C/sec. Cette étape de recuit de stabilisation peut avoir lieu après l'étape de polissage. Avantageusement ce recuit a lieu avant l'étape de polissage, après l'étape de rupture du substrat. Comme explicité plus haut, ce recuit entre 700°C et 1300°C permet la diffusion de l'hydrogène gazeux à température importante, telle que mentionnée (au moins 10°C/s) permet de minimiser le passage dans l'intervalle de 400°C-700°C lors de la montée en température température travers les substrats. Une rampe de ci-dessus temps de critique et permet donc d'atteindre l'intervalle diffusion de l'hydrogène pré-cité de température de avant que la pression 16 dans les cloques ne fragilise la structure semi-conductrice finale de façon irrémédiable. Ainsi, on contrôle les paramètres du recuit afin de limiter la durée d'exposition dans la gamme 400°C - 700°C à moins de 120 secondes, préférentiellement 30 secondes. Le temps critique autorisé selon l'invention dans la gamme de température est fonction de l'épaisseur de la couche d'oxyde enterré 45 de la structure finale : plus celle-ci est fine, plus on cherchera à limiter la durée d'exposition. Pour une épaisseur de 10nm la durée maximale d'exposition dans l'intervalle critique de température, pour un procédé selon l'invention, est comprise entre 20 et 30 secondes ; pour 15 nm cette durée est inférieure à 30 secondes et pour une épaisseur d'oxyde de 25 nm la durée critique est proche de 2 min voire plus. Un second mode de réalisation de l'invention est décrit dans les figures 2A à 2G. Le principe de ce mode de réalisation est identique à celui du premier mode de réalisation, hormis les épaisseurs el' et e2' déposées des couches d'oxydes 4', 5'. Dans ce mode de réalisation de l'invention, l'épaisseur totale d'oxyde déposé (el' + e2') est plus importante que l'épaisseur finale d'oxyde (et) visée pour la couche d'oxyde enterré 45 de la structure finale. Seules les étapes différentes du premier mode de réalisation de l'invention seront décrites, la couche 45 de la figure 2E étant composée des couches d'oxyde donneur 4 et d'oxyde de collage 5 représentées 17 dans les figures 2D à 2F et obtenues après l'amincissement des couches d'oxydes 4' et 5'. Précédant l'étape de collage, illustrée en figure 2E, l'un et/ou l'autre des substrats 2, 3 comportant chacune une couche d'oxyde, respectivement 4' et 5' d'épaisseurs el' et e2', est soumis à une étape de nettoyage, décrite en figure 2D, le nettoyage ayant, entre autres, pour effet de graver, et donc d'amincir, la couche d'oxyde 4' et/ou 5' présente à la surface de la ou des substrat(s) traité(s) par le nettoyage. Cependant, les couches d'isolant, pour ce nettoyage ou pour tout autre étape de procédé, ne sont pas soumises à un traitement favorisant la diffusion de l'eau dans tout ou partie des couches d'isolant. En particulier, les plasmas effectués avant collage en vue d'une amélioration de l'adhérence lors du collage ne sont pas appliqués dans un procédé suivant l'invention, ces étapes semblant favoriser la diffusion de l'eau à travers les couches isolantes. Préférentiellement, l'épaisseur initiale (el' et/ou e2'), lors de la formation des couches d'oxyde donneur 4' ou d'oxyde de collage 5', tient compte de l'amincissement produit lors de l'éventuelle étape de nettoyage et des épaisseurs finales el et e2 voulues pour les couches d'oxyde donneur 4 et d'oxyde de collage 5. Comme dans le premier mode de réalisation, l'épaisseur finale d'oxyde et de la couche d'oxyde enterré 45 est inférieure ou égale à 50 nm, avantageusement inférieure ou égale à 20 nm, préférentiellement inférieure ou égale à 15 nm, ou par 18 exemple inférieure à 10 nm ou 7 nm. De plus, après le nettoyage et l'amincissement des couches d'oxyde initiale, les épaisseurs el et e2 des couches d'oxydes 4 et 5 à assembler lors du collage sont telles que l'épaisseur relative, par rapport à l'épaisseur cumulée des deux couches d'oxyde lors de l'assemblage, de la couche d'oxyde 4 issue de la couche d'oxyde donneur 4' est de 50% et/ou, dans le cas où l'introduction d'éléments de dopage se fait à travers la couche d'oxyde donneur, strictement supérieure à 50% et inférieure ou égale à 95% de l'épaisseur cumulée et des couches d'oxyde 4,5 à assembler. Cette épaisseur relative de la couche d'oxyde donneur à assembler est comprise avantageusement entre 60 et 80% et préférentiellement entre 70% et 80% de l'épaisseur et cumulée des couches d'oxyde à assembler, par exemple 75%. Dans un procédé selon l'invention, le fait d'utiliser un collage oxyde-oxyde, avec une épaisseur au moins d'oxyde donneur supérieure ou égale à l'épaisseur d'oxyde de collage, lors de l'assemblage des substrats permet de limiter la mise en contact des molécules d'eau et des matériaux présents sous les couches d'oxyde. Ainsi, la formation immédiate de radicaux d'hydrogène par réaction avec le matériau semi-conducteur est bloquée, la formation de radicaux d'hydrogène étant due à l'éventuelle diffusion des molécules d'eau à travers les couches d'oxyde. Dans les modes avantageux de procédés selon l'invention, les couches d'oxydes 4', 5' ont des épaisseurs relatives, par rapport à l'épaisseur et de la couche d'oxyde 19 enterrée 45, telles que, lors du collage, l'épaisseur relative de la couche d'oxyde donneur 4 soit strictement supérieure à 50% et inférieure ou égale à 95%, avantageusement comprise entre 60% et 85% et préférentiellement entre 70% et 80%. Cette répartition des épaisseurs d'oxyde composant la couche d'oxyde enterré entre le substrat donneur 2 et le substrat récepteur 3, permet d'avoir une épaisseur plus importante d'oxyde du côté de l'oxyde donneur 4. Ceci permet de compenser des défaillances de l'oxyde donneur 4, cet oxyde étant dégradé lors de l'introduction d'éléments de dopage (figures 1B et 2B), ses propriétés de barrière à la diffusion de l'H2O sont réduites. La couche d'oxyde de collage ayant des propriétés barrières non détériorées, il n'est pas nécessaire que la couche d'oxyde de collage ait une épaisseur importante pour que la couche d'oxyde de collage forme une barrière de diffusion équivalente à celle formée par la couche d'oxyde donneur. Une épaisseur de la couche d'oxyde de collage de 0,5 nm à 5 nm ou 10 nm, par exemple 1 nm peut être suffisante pour former une barrière de diffusion efficace. En créant, selon l'invention, une couche d'oxyde donneur 4 plus épaisse que la couche d'oxyde de collage 5, il est possible, sans changer l'épaisseur et finale de la couche d'oxyde enterré 45, d'augmenter l'effet barrière de la portion de la couche d'oxyde enterré issue de la couche d'oxyde donneur 4. Ainsi, les épaisseurs sont choisies de façon à obtenir des effets barrière comparables pour la couche d'oxyde 20 donneur 4 et l'oxyde de collage 5 du côté du substrat final 3 sans modifier l'épaisseur finale de la couche d'oxyde enterrée 45. La répartition entre les épaisseurs des couches à assembler, après tout éventuel amincissement, résultant par exemple d'une éventuelle étape de nettoyage, est choisie en fonction de la différence de propriété barrière à la diffusion de l'eau entre : - la couche d'oxyde de collage 5, intacte, déposée sur le substrat final 3, et - la couche d'oxyde donneur 4, potentiellement dégradée par l'introduction d'éléments de dopage dans le substrat donneur 2. Le choix des épaisseurs relatives dépend donc de la dose d'implantation utilisée et des matériaux composant les oxydes utilisés. Des résultats d'expériences, obtenus par les inventeurs, sont donnés en figure 3, donnant la défectivité finale (en ordonnée), après collage et recuit, en fonction de l'épaisseur relative (en abscisse) des couches d'oxyde donneur et/ou d'oxyde de collage qui composent la couche d'oxyde final, dite aussi couche d'oxyde enterré, dans le cas de structures SOI de type UTBOX, à base de silicium et d'oxyde de silicium. Un ratio entre l'épaisseur de la couche d'oxyde de collage et l'épaisseur de la couche d'oxyde final (abscisse du bas sur ce graphique) égal à 0 correspond au cas où la couche d'oxyde final provient uniquement de l'oxyde donneur formé sur le substrat donneur avant collage et assemblage des substrats. 21 De même, un ratio entre l'épaisseur de la couche d'oxyde de collage et l'épaisseur de la couche d'oxyde final égal à 1 correspond au cas où la couche d'oxyde final provient entièrement de la couche d'oxyde de collage. Entre ces deux valeurs extrêmes, l'épaisseur relative de la couche d'oxyde de collage par rapport à l'épaisseur de la couche d'oxyde final augmente.

On a également représenté, en haut du graphique, le ratio entre l'épaisseur de la couche d'oxyde donneur et l'épaisseur de la couche d'oxyde final. Ce ratio varie en sens inverse du ratio entre l'épaisseur de la couche d'oxyde de collage et l'épaisseur de la couche d'oxyde final. La défectuosité après collage en fonction du ratio des épaisseurs d'oxydes peut être répartie en trois parties. Dans la partie I, la couche d'oxyde final est principalement composé d'oxyde donneur formé sur le substrat donneur ; les molécules H2O diffusent facilement à la surface du substrat final et forment, lors des recuits, des défauts critiques en grande quantité à l'interface entre le substrat final et la couche d'oxyde finale, dite aussi couche d'oxyde enterré. Dans la partie III, l'épaisseur de la couche d'oxyde de collage est supérieure à l'épaisseur de la couche d'oxyde donneur, dont l'efficacité, en tant que barrière, est déjà détériorée par l'étape d'introduction d'éléments, par exemple lors d'une étape d'implantation ionique. Une défectuosité importante est 22 observée, les propriétés barrières de la couche d'oxyde donneur 4 étant très inférieures à celle de la couche d'oxyde de collage 5 et laissant alors diffuser trop de molécules H2O vers le substrat donneur 2, ce qui forme, lors du recuit de nombreux défauts de type cloque . L'effet barrière à la diffusion d'eau des couches d'oxyde finales est insuffisant dans les deux cas illustrés par les parties I et III de la figure 3. Dans la partie II, la répartition des épaisseurs des couches d'oxyde à assembler, avant collage, ici une épaisseur relative de la couche d'oxyde de collage comprise entre 15% et 50%, soit respectivement une épaisseur relative de la couche d'oxyde donneur comprise entre 95% et 50%, est telle que les propriétés barrières de la couche d'oxyde donneur 4 sont améliorées du fait d'une épaisseur relative plus importante. La couche d'oxyde de collage 5 a, dans cette partie II, une épaisseur suffisante pour former, du côté du substrat final 3, une barrière à la diffusion de l'H2O d'efficacité comparable à celle formée du côté du substrat donneur. Il y a donc un effet important du ratio des épaisseurs sur la défectuosité après recuit et donc sur l'efficacité du collage isolant-isolant, en particulier dans le cas d'un collage oxyde-oxyde, pour bloquer, ou du moins limiter, la diffusion des molécules H2O piégées dans la couche d'oxyde enterré lors de l'assemblage. Les données de cette figure illustrent bien que le collage oxyde-oxyde, à épaisseurs égales d'oxydes par exemple, ou plus particulièrement un 23 collage oxyde-oxyde comportant un ratio des épaisseurs d'oxydes optimisé, permet de résoudre les problèmes liés à la diffusion d'H2O, en particulier la formation de défauts de type cloques . Un tel procédé selon l'invention permet donc de former des dispositifs de type UTBOX avec une défectuosité acceptable plus faible que la défectuosité des structures obtenues par le procédé selon l'état de la technique, dans lequel tout l'oxyde composant la couche d'oxyde enterré finale provient de la couche d'oxyde donneur. Dans les conditions utilisées pour l'obtention de ces résultats expérimentaux, un intervalle avantageux a été identifié pour une épaisseur relative d'oxyde donneur comprise entre 60% à 85%.

Le tracé d'une telle figure permet, dans le cadre d'un procédé selon l'invention, de trouver l'optimum des épaisseurs relatives d'oxyde pour une épaisseur et d'oxyde final 45 donnée, des matériaux donnés et une implantation ionique donnée. Cet optimum est ici compris entre 70% et 80% d'oxyde donneur, et plus particulièrement proche de 75%. L'efficacité de l'invention est illustrée par des analyses de défectuosité (figure 4), obtenues pour des structures de type SOI ou UTBOX à base de silicium et d'oxyde de silicium, qui montrent que la méthode d'intégration par un collage oxyde-oxyde, en particulier avec des épaisseurs d'oxyde identiques (courbe B), permet d'obtenir une fiabilité améliorée et donc de développer des structures UTBOX plus fines qu'avec le procédé connu. Il est encore possible de réduire les dimensions de la couche d'oxyde enterré 24 et/ou d'obtenir une défectuosité plus faible si la méthode d'intégration utilisée est celle selon l'invention (courbe C), comportant une dissymétrie des épaisseurs des couches d'oxydes à assembler avec une répartition comprise dans les intervalles décrits précédemment. En particulier, l'effet obtenu par rapport au procédé connu est important pour une épaisseur de la couche d'oxyde enterré et inférieure à 15 nm et considérable pour des épaisseurs d'oxyde enterré inférieures à 10 nm. Ainsi, plus l'épaisseur finale d'oxyde enterré est faible, plus un procédé suivant l'invention a d'effet relativement aux procédés de l'état de la technique.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication de structures semi-conductrices empilées de type UTBOX, ce procédé comprenant . a) la formation d'une première couche d'isolant électrique (4), formant barrière à la diffusion d'eau ou étant apte à limiter cette diffusion, dite couche d'oxyde donneur, sur un substrat donneur (2), b) l'introduction d'éléments dans le substrat donneur, précédant ou suivant la formation de la couche d'oxyde donneur, formant une couche fragilisée (21), c) la formation d'une deuxième couche d'isolant électrique (5), formant barrière à la diffusion de l'eau ou étant apte à limiter cette diffusion, dite couche d'oxyde de collage, sur un deuxième substrat (3) dit substrat final, d) le collage des deux substrats, les deux couches d'isolant électrique étant mises en contact et formant ensemble une couche d'isolant (45) enterrée entre les deux substrats, dite couche d'oxyde enterré, les couches d'isolant étant telles que, lors du collage, la couche d'oxyde donneur a une épaisseur au moins égale à celle de la couche d'oxyde de collage, l'épaisseur de la couche d'oxyde enterré (et) étant inférieure à 50 nm.30 26
2. Procédé selon la revendication 1, l'introduction d'éléments dans le substrat donneur (2) se faisant à travers la couche d'oxyde donneur (4), la couche d'oxyde de collage (5) étant strictement plus fine que ladite couche d'oxyde donneur (4).
3. Procédé selon la revendication 2, la couche d'oxyde donneur (4) ayant une épaisseur relative, par rapport à la couche d'oxyde enterré, strictement supérieure à 50% et inférieure ou égale à 95% de l'épaisseur (et) de la couche d'oxyde enterré (45).
4. Procédé selon la revendication 3, l'épaisseur relative de la couche d'oxyde donneur (4) étant comprise entre 60% et 85% de l'épaisseur (et) de la couche d'oxyde enterré (45).
5. Procédé selon la revendication 4, l'épaisseur relative de la couche d'oxyde donneur (4) étant comprise entre 70% et 80% de l'épaisseur (et) de la couche d'oxyde enterré (45).
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, l'épaisseur de la couche d'oxyde enterré (et) étant inférieure à 20 nm.
7. Procédé selon la revendication 6, l'épaisseur de la couche d'oxyde enterré (et) étant inférieure à 15 nm. 27
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, une étape de nettoyage d'au moins un des substrats (2, 3) précédant la mise en contact de la couche d'oxyde donneur (4) et de la couche d'oxyde de collage (5) lors du collage.
9. Procédé selon la revendication 8, les couches d'oxyde de collage et d'oxyde donneur (4', 5') étant formées avec une épaisseur totale plus importante que l'épaisseur de la couche d'oxyde enterré (et), l'étape de nettoyage provoquant une réduction de l'épaisseur de la couche d'isolant présente sur le substrat nettoyé.
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, le substrat donneur (2) étant en matériau semi-conducteur, par exemple en silicium.
11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, le substrat final (3) étant en matériau semi-conducteur, par exemple en silicium.
12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, au moins un des deux substrats (2, 3) étant choisi parmi le quartz ou le saphir ou un polymère.
13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel le collage est suivi par un amincissement du substrat donneur (2) selon un procédé dont la température maximum est 400°C et comprenant au 28 moins une fracture du substrat donneur au niveau de la couche fragilisée (21).
14. Procédé selon la revendication 13, l'amincissement ayant lieu au cours d'un traitement thermique à une température inférieure à 350°C.
15. Procédé selon l'une des revendications 1 à 14, un traitement thermique ayant une température comprise entre 700°C et 1200°C, avec une rampe de montée en température supérieure à 10°C/s, étant appliqué après le collage et après l'éventuel amincissement.
16. Procédé selon l'une des revendications 1 à 15, au moins une des couches d'isolant étant formée par dépôt d'isolant ou par réaction avec une surface d'au moins un des substrats.
17. Procédé selon l'une des revendications 1 à 16, la formation d'au moins une des couches d'isolant, par dépôt ou par réaction, ou par formation d'un oxyde natif, comporte, avant collage, un recuit de densification leur conférant une propriété de barrière à la diffusion de l'eau ou les rendant apte à limiter cette diffusion.
18. Procédé selon l'une des revendications 1 à 17, dépourvu, entre leur formation et le collage, de traitements aptes à modifier les couches d'isolant, hormis sous la forme de l'éventuelle introduction 29 d'éléments de dopage et/ou de l'éventuel nettoyage et/ou de l'éventuel recuit de densification.5