FR2951869A1 - Procede de realisation d'une structure a couche enterree par implantation et transfert - Google Patents

Abstract

Pour réaliser une structure comportant une couche enterrée, on applique une implantation ionique à un premier substrat 10 portant une première couche 12, en vue de former dans ce premier substrat, à une profondeur donnée sous la première couche, une couche d'endommagement 16, puis on assemble le premier substrat, par l'intermédiaire de la première couche, à un second substrat, puis on provoque une fracture le long de la couche d'endommagement 16, en sorte de détacher, vis-à-vis du reste du premier substrat, une couche mince de ce premier substrat telle que la première couche 12 est enterrée sous cette couche mince sur le second substrat ; en outre, on forme sur la première couche, avant l'étape d'implantation, une couche de protection temporaire 14 en un matériau permettant une élimination sélective vis-à-vis du matériau de cette première couche 12, et, après cette étape d'implantation et avant l'étape d'assemblage, on élimine cette couche de protection temporaire de manière sélective vis-à-vis de cette première couche.

Description

L'invention concerne, de préférence à l'échelle nanométrique, la réalisation d'une structure à couche enterrée par mise en oeuvre d'étapes d'implantation et de transfert de couche. Elle vise notamment, mais pas limitativement, la fabrication de matériaux de type SOI (Silicon-On-Insulator, c'est-à-dire de type silicium sur isolant : structure Si/SiO2/Si) ou plus généralement de type SIS (pour Semiconducteur-Isolant-Support). Dans le présent document, la notion de semi-conducteur est à interpréter dans l'expression ci-dessus comme désignant, au sens le plus large, un matériau en couche mince (de quelques nanomètres d'épaisseur, voire à peine quelques dizaines de nanométres) qui conduit le courant électrique selon certaines conditions électriques (tension/courant par exemple), tandis que la notion d'isolant doit être interprétée comme désignant un matériau permettant d'isoler électriquement le semi-conducteur en couche mince vis-à-vis du support sous-jacent (SiO2, Si3N4, diamant, etc.) ; cette notion de support désigne un corps adapté à porter et maintenir les deux précédentes couches minces empilées pour créer la structure finale industrialisée. Pour réaliser, à une échelle plus grande (avec des couches de l'ordre d'une ou plusieurs centaines de nanomètres), une structure avec une couche enterrée (telle qu'une couche amorphe), par exemple un oxyde de l'ordre de quelques centaines de nanomètres (typiquement 145 ou 400 nm), et une couche superficielle monocristalline, la technologie « Smart CutTM » basée sur un procédé de report de couche par implantation/fracture, s'est avérée une excellente méthode. Selon cette technologie, pour réaliser de telles structures, on peut, par exemple, effectuer principalement les étapes suivantes : oxydation thermique d'une surface d'un premier substrat, implantation ionique au travers de cette surface pour former une couche enterrée d'endommagement (délimitant avec la couche d'oxyde une future couche mince monocristalline) suivie d'une préparation de surface adéquate, collage moléculaire de cette surface à une surface libre d'un second substrat, puis transfert (sur ce second substrat) de la couche mince monocristalline à température élevée (température généralement supérieure à 500°C) par fracture le long de la couche d'endommagement ; les principes généraux de ce procédé de transfert par implantation/fracture sont décrits notamment dans les documents US - 5 374 564 et US û 6 225 192. Une stabilisation finale de l'empilement généré est ensuite classiquement réalisée autour de 900°C, voire jusqu'à 1100°C. Pour réaliser une structure présentant une couche enterrée relativement mince, de quelques nanomètres seulement (typiquement 10nm), la conservation des étapes précédemment décrites conduit à la réalisation d'une structure finale fortement défectueuse en ce qui concerne les couches transférées. Une adaptation possible du procédé classique précité consiste à diminuer sensiblement la température de transfert de la couche mince (à 300°C au lieu de 500°C par exemple, comme décrit dans le document WO2007/116038, si la dose d'implantation a été suffisamment ajustée pour permettre un temps de procédé acceptable. Il est alors possible d'obtenir une structure peu défectueuse après l'étape de transfert à 300°C ; cependant, les traitements ultérieurs à plus haute température (1100°C par exemple) font réapparaitre cette défectivité momentanément écartée.

Pour minimiser cette défectivité, il a aussi été proposé de chercher à optimiser l'énergie du collage établi entre les deux substrats, par des traitements d'activation de surface, notamment (cela est notamment rappelé dans le document WO û 2008/031980). Toutefois, cela peut se révéler insuffisant à l'échelle nanométrique.

Plutôt que de chercher à corriger la défectivité, l'invention vise à minimiser son apparition. Il est apparu qu'une composante importante de cette défectivité est apportée par l'étape d'implantation ionique ; cette implantation ionique endommage (ce qui est volontaire) une couche située à une profondeur choisie, ainsi que (ce qui constitue un inconvénient subi) la zone, située entre la surface libre soumise à l'implantation et cette couche d'endommagement, qui constitue la future couche mince à transférer. Or, lors de l'étape de collage moléculaire, toute couche perturbée ou espèce non souhaitée issue de l'implantation (hydrocarbures par exemple) va se retrouver encapsulée à l'interface de collage et peut participer à l'apparition d'une défectivité lors d'une montée ultérieure en température (dégazage par exemple). Une analyse plus précise de cette défectivité a montré en outre qu'elle était particulièrement localisée à proximité immédiate de la surface libre précitée plus précisément, c'est-à-dire près de la surface qui est destinée à participer au collage ; on comprend qu'une telle localisation, qui peut être acceptée à l'échelle micrométrique, peut être rédhibitoire à l'échelle nanométrique (cette zone située à proximité de la surface représente alors une fraction très importante de l'épaisseur de la couche mince à transférer). L'invention propose en conséquence de minimiser la défectivité de surface lors d'une implantation ionique en vue d'un transfert d'une couche devant être enterrée.

Elle propose ainsi un procédé de réalisation d'une structure comportant une couche enterrée, comportant des étapes selon lesquelles : * on applique une implantation ionique à un premier substrat portant une première couche, en vue de former dans ce premier substrat, à une profondeur donnée sous la première couche, une couche d'endommagement, * on assemble le premier substrat, par l'intermédiaire de la première couche, à un second substrat, * on provoque une fracture le long de la couche d'endommagement, en sorte de détacher, vis-à-vis du reste du premier substrat, une couche mince de ce premier substrat telle que la première couche est enterrée sous cette couche mince sur le second substrat, caractérisé en ce que, en outre, • on forme sur la première couche, avant l'étape d'implantation, une couche de protection temporaire en un matériau permettant une élimination sélective vis-à-vis du matériau de cette première couche, et • après cette étape d'implantation et avant l'étape d'assemblage, on élimine cette couche de protection temporaire de manière sélective vis-à-vis de cette première couche. En d'autres termes, l'invention enseigne de protéger temporairement la couche mince destinée à être enterrée après transfert, par une couche supplémentaire sacrificielle, c'est à dire qui présente la caractéristique de pouvoir être ensuite éliminée sélectivement (par voie chimique par exemple) au regard de la couche enterrée. On comprend qu'ainsi l'invention ajoute une surépaisseur à la zone que les ions vont avoir à traverser jusqu'à la couche d'endommagement, ce qui pouvait paraître incompatible avec une minimisation du budget énergétique du procédé. Toutefois, il a pu être vérifié que la présence d'une telle couche sacrificielle permet d'y localiser une part importante de l'endommagement d'implantation apparaissant entre la surface libre et la couche enterrée d'endommagement ; la couche mince libérée après élimination de cette couche sacrificielle est par contre moins endommagée qu'avec les procédés connus. Il est à noter que cette couche sacrificielle ne peut être constituée par une couche de surface pouvant recouvrir la couche à transférer dans les procédés connus, telle qu'une couche d'oxyde thermique à la surface d'une couche en silicium ou une couche d'accrochage destinée à favoriser le collage moléculaire avec le substrat sur lequel la couche mince doit être transférée ; en effet de telles couches ne sont pas destinées à être éliminées, en tout cas pas de manière sélective (à supposer qu'il ait été prévu dans un procédé connu de supprimer une couche apparue spontanément, notamment par oxydation naturelle, cette suppression ne pourrait se faire que par rodage et polissage (avec les risques de variations d'épaisseur inhérents à ces techniques), sans pouvoir être sélective. De manière préférée, la première couche a une épaisseur d'au plus une dizaine de nanomètres, et/ou la couche de protection temporaire a une épaisseur d'au plus une centaine de nanomètres et avantageusement d'au plus une dizaine de nanomètres.

De manière également préférée, la première couche est en un matériau électriquement isolant, ce qui correspond actuellement à une grande importance pratique. De manière avantageuse, la première couche est un oxyde.

De manière avantageuse, la couche de protection temporaire est en un nitrure, en silicium ou un oxyde. Selon un exemple de mise en oeuvre, la première couche comporte de la silice, et la couche de protection temporaire est en Si3N4, en silicium polycristallin ou en HfSiO.

Selon un autre exemple de mise en oeuvre, la première couche comporte du HfO2 ou du diamant, et la couche de protection temporaire est en silice. Selon encore un autre exemple de mise en oeuvre, la première couche comporte de l'alumine, et la couche de protection temporaire est en silicium polycristallin. Selon un autre aspect, l'invention concerne une structure enterrée obtenue par le procédé, c'est-à-dire une structure comportant un support, une couche enterrée portée par ce support, sous une couche mince, cette couche enterrée et cette couche mince ayant des épaisseurs au plus égales à une dizaine de nanomètres. En effet, puisque les procédés actuels ne permettent pas de fournir, sans défectivité rédhibitoire, des structures enterrées à l'échelle nanométrique, un apport de l'invention est de permettre de permettre de telles structures, à cette échelle nanométrique.

Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple illustratif non limitatif, en regard du dessin annexé sur lequel : - la figure est une vue schématique d'un substrat revêtu d'une couche destinée à être enterrée dans une structure finale, - la figure 2 est une vue schématique de ce substrat, après formation d'une couche sacrificielle puis application d'une implantation ionique par bombardement, - la figure 3 est une vue schématique du substrat après ladite implantation, - la figure 4 est une vue schématique du substrat après élimination de la couche sacrificielle, - la figure 5 est une vue schématique du substrat après collage moléculaire à un second substrat, et - la figure 6 est une vue schématique de ce second substrat après transfert.

Les figures 1 représentent diverses étapes dans la fabrication d'une structure 30 comportant une couche enterrée (figure 6).

On part d'un substrat 10, en pratique monocristallin, sur lequel on forme, par toute technique appropriée, une couche 12 que l'on souhaite obtenir, à une certaine profondeur, dans la structure finale de la figure 6. Il s'agit typiquement d'une couche d'oxyde (d'où l'expression anglaise BOX, pour « Buried OXide) ; mais d'autres matériaux sont possibles, dont un nitrure, ou une forme de carbone telle que le diamant etc. On forme ensuite, sur cette future couche enterrée 12, une couche sacrificielle 14 destinée à protéger temporairement cette couche 12. La formation de cette couche sacrificielle est, également, obtenue par toute technique appropriée.

Le choix du matériau constitutif de cette couche sacrificielle est fait, en fonction du matériau constitutif de la couche à protéger, en sorte de pouvoir être ultérieurement éliminée sélectivement, en pratique par gravure par voie chimique. C'est après la formation de cette couche sacrificielle que l'on applique un traitement d'implantation ionique, typiquement par bombardement (voir la figure 2) ; l'espèce implantée est typiquement de l'hydrogène mais peut aussi, en variante ou en complément, être de l'hélium, ou une (ou plusieurs) espèce(s) permettant de provoquer l'apparition d'une couche d'endommagement qui est repérée, à la figure 3, sous la référence 16. De manière inhérente au procédé d'implantation, une portion superficielle 18 de l'ensemble de la figure 2 est également endommagée (il y a donc une couche de surface défectueuse). En pratique, l'endommagement apparaissant près de la surface présente un gradient continu, de sorte que c'est par souci de lisibilité que la figure 3 visualise une frontière entre cette portion 18 et le reste de la couche sacrificielle 14. On comprend que l'épaisseur de cette couche sacrificielle est choisie en sorte d'être supérieure à l'épaisseur de la portion superficielle affectée par l'implantation, compte tenu des conditions opératoires de cette implantation. Il en découle que l'essentiel de l'endommagement provoqué par l'implantation (en dehors de la zone 16) est situé dans cette couche sacrificielle. Il en découle que, après élimination sélective de cette couche sacrificielle (figure 4), on obtient une structure intermédiaire très similaire à celle de la figure 1, à ceci près qu'il n'y a pratiquement pas d'endommagement en dehors de la couche 16, en particulier il n'y quasiment pas d'endommagement de surface ; la surface libre de la couche 12 a donc un état permettant un collage moléculaire de qualité.

En effet, à la figure 5, la surface libérée par l'élimination sélective de la couche sacrificielle est mise en contact intime avec une surface d'un second substrat 20 ; cette mise en contact intime correspond à un collage moléculaire (encore appelé collage direct). Ce collage moléculaire est effectué de toute manière appropriée, 25 après un éventuel traitement d'activation de surface. Il suffit alors de provoquer, conformément au procédé de l'art antérieur, une fracture du substrat initial 10 le long de la couche d'endommagement 16 (par exemple par traitement thermique éventuellement assisté d'un traitement mécanique) ; on obtient alors (voir la figure 6) la 30 structure désirée 30 comportant une couche de semi-conducteur (à savoir la couche mince 10A qui s'est séparée du reste du substrat initial 10), longeant une couche enterrée (à savoir la couche 12), qui la sépare d'un support (à savoir le substrat 20).

Ainsi, l'invention propose de produire une structure à couche enterrée en tirant profit de la technologie de transfert de couche par implantation/fracture en définissant précisément une nouvelle étape clef, à savoir la protection temporaire de la future couche finale enterrée (en fait cette étape clef de protection temporaire est double, puisqu'il y formation, puis élimination de cette couche de protection pour que cette protection ait principalement lieu lors de l'implantation en sorte d'être le lieu de l'essentiel de l'endommagement apparaissent en dehors de la couche d'endommagement souhaitée). Comme indiqué ci-dessus, cette couche de protection temporaire est choisie, en fonction du matériau de la future couche enterrée, en sorte de pouvoir être éliminée de manière sélective par rapport à cette future couche enterrée. On comprend que le procédé de transfert de couche par implantation/fracture, dans sa version classique, passerait directement de la figure 1 à la figure 4. On appréciera que l'invention permet la formation de couches minces sensiblement dépourvues d'endommagement, même lorsque celles-ci ont des épaisseurs de quelques nanomètres seulement. Puisque la défectivité est ainsi minimisée, on comprend qu'il n'y a guère de risque d'accroissement de cette défectivité en cas d'échauffement à des températures élevées. Compte tenu des divers couples de matériaux que l'homme de métier sait éliminer sélectivement l'un vis-à-vis de l'autre, l'invention permet ainsi, de manière très générale, la formation de film mince (par exemple semi-conducteur) sur film mince (par exemple isolant) sur support.

Dans la mesure où seule la partie 10A du substrat initial subsiste dans la structure finale, on comprend que ce substrat initial peut ne pas être homogène ; il suffit que, sur au moins l'épaisseur de la future couche mince surmontant la couche enterrée, le substrat soit dans le matériau souhaité. Ce substrat est typiquement en silicium, mais peut aussi être un alliage de SiGe, ou de type AsGa, notamment. La future couche mince a par exemple une épaisseur de 10 nanomètres, voire moins. La couche enterrée, avantageusement électriquement isolante, est par exemple un oxyde, tel que SiO2 ou HfO2 ou AI2O3, ou du Carbone/Diamant. La couche de protection peut alors être en Si3N4, en Si polycristallin, en HfSiO, etc. pour une couche enterrée en SiO2 . Dans le cas d'une couche enterrée en HfO2 ou Diamant, la couche de protection peut être en SiO2.

Dans le cas d'une couche enterrée en AI2O3, la couche de protection peut être en silicium polycristallin. A titre d'exemple, une couche de protection temporaire en HfSiO peut être éliminée de manière sélective, vis-à-vis d'une couche sous-jacente en SiO2 par une attaque chimique de HF (très dilué û à 0.05% par exemple) ; une couche temporaire en Silicium polycristallin peut être éliminée, de manière sélective vis-à-vis d'une couche sous-jacente en AI2O3, par une attaque par un bain connu sous l'appellation TMAH (Tetra Methyl Ammonium Hydroxide) etc.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'une structure comportant une couche enterrée (12), comportant des étapes selon lesquelles : * on applique une implantation ionique à un premier substrat (10) portant une première couche (12), en vue de former dans ce premier substrat, à une profondeur donnée sous la première couche, une couche d'endommagement (16), * on assemble le premier substrat, par l'intermédiaire de la première couche, à un second substrat (20), * on provoque une fracture le long de la couche d'endommagement (16), en sorte de détacher, vis-à-vis du reste du premier substrat, une couche mince (10A) de ce premier substrat telle que la première couche (12) est enterrée sous cette couche mince (10A) sur le second substrat (20), caractérisé en ce que, en outre, • on forme sur la première couche, avant l'étape d'implantation, une couche de protection temporaire (14) en un matériau permettant une élimination sélective vis-à-vis du matériau de cette première couche (12), et • après cette étape d'implantation et avant l'étape d'assemblage, on élimine cette couche de protection temporaire (14) de manière sélective vis-à-vis de cette première couche (12).
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première couche a une épaisseur d'au plus une dizaine de nanomètres.
3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la couche de protection temporaire a une épaisseur d'au plus une centaine de nanomètres.
4. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la couche de protection temporaire a une épaisseur d'au plus une dizaine de nanomètres
5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la première couche est en un matériau électriquement isolant.
6. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la première couche est un oxyde.
7. 7. Procédé selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce que la couche de protection temporaire est en un nitrure, en silicium ou 5 un oxyde.
8. 8. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la première couche comporte de la silice, et la couche de protection temporaire est en Si3N4, en silicium polycristallin ou en HfSiO.
9. 9. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la 10 première couche comporte du HfO2 ou du diamant, et la couche de protection temporaire est en silice.
10. 10. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la première couche comporte de l'alumine, et la couche de protection temporaire est en silicium polycristallin. 15
11. 11. Structure adaptée à être obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, comportant un support (20), une couche enterrée (12) portée par ce support sous une couche mince (10A), cette couche enterrée et cette couche mince ayant des épaisseurs au plus égales à une dizaine de nanomètres. 20