FR2973159A1 - Procede de fabrication d'un substrat de base pour un substrat de type semi-conducteur sur isolant - Google Patents

Procede de fabrication d'un substrat de base pour un substrat de type semi-conducteur sur isolant Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un substrat de base pour la fabrication d'un substrat de type semi-conducteur sur isolant, comprenant les étapes suivantes : (a) fourniture d'un substrat (1) de silicium présentant une résistivité électrique supérieure à 500 Ohm.cm, (b) nettoyage de la surface dudit substrat (1), de manière à retirer l'oxyde natif et/ou les dopants présents à la surface du substrat (1), (c) formation, sur ledit substrat (1) d'une couche (2) d'un matériau diélectrique, (d) formation sur ladite couche (2) d'une couche (3) de silicium poly-cristallin, ledit procédé étant caractérisé en ce que les étapes (b), (c) et (d) sont mises en œuvre successivement dans une même enceinte (10).

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UN SUBSTRAT DE BASE POUR UN SUBSTRAT DE TYPE SEMI-CONDUCTEUR SUR ISOLANT
DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un substrat de base pour la fabrication d'un substrat de type semi-conducteur sur isolant, en particulier pour des applications radiofréquence.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Il existe à l'heure actuelle différents types de substrats pour la réalisation de dispositifs radiofréquence (RF). Un premier type de substrat rassemble les substrats comprenant une couche de silicium sur substrat isolant, comme par exemple les substrats silicium sur quartz (ou SOQ, acronyme du terme anglo-saxon « Silicon on Quartz »), silicium sur saphir (ou SOS, acronyme du terme anglo-saxon « Silicon on Sapphire »), ou encore silicium sur verre (SOG, acronyme de « Silicon on Glass »). Ces substrats procurent d'excellentes performances en radiofréquence mais présentent de piètres caractéristiques en ce qui concerne les dispositifs logiques, en raison de la qualité inférieure du silicium. Ils sont en outre très onéreux.
Un deuxième type de substrat est un substrat de silicium massif à haute résistivité (« High Resistivity (HR) bulk Silicon » selon la terminologie anglo-saxonne). Par « haute résistivité », on entend typiquement une résistivité électrique supérieure à 500 Ohm.cm. Ces substrats présentent des performances inférieures aux premiers, et les dispositifs logiques ne bénéficient pas des avantages des structures de type SOI, mais ils présentent l'intérêt d'être peu onéreux. Un troisième type de substrat est un substrat dit HR-SOI (« High Resistivity Silicon on Insulator »), c'est-à-dire constitué d'une couche de silicium sur un substrat de silicium à haute résistivité, une couche épaisse d'oxyde étant enterrée à l'interface. Cette couche d'oxyde est donc généralement désignée par le terme BOX (« Buried OXide »). De tels substrats sont particulièrement avantageux pour le fonctionnement des dispositifs logiques, mais présentent de moindres performances en radio-fréquence que les substrats SOQ ou SOS. En effet, ces substrats présentent l'inconvénient d'inclure parfois une couche de faible résistivité sous la couche d'oxyde.
Par « faible résistivité », on entend dans le présent texte une résistivité inférieure à 500 Ohm.cm. La présence de cette couche de faible résistivité peut être due à une contamination de la surface des substrats (par exemple par une condensation de bore et/ou de phosphore) avant le collage. Ces contaminants sont alors encapsulés à l'interface de collage, et sont susceptibles de diffuser dans le substrat à haute résistivité. Une autre cause de la formation de la couche de faible résistivité intervient lorsque le substrat de départ est un substrat de silicium avec une forte densité d'atomes d'oxygène interstitiels : il est alors nécessaire d'effectuer un traitement thermique pour faire précipiter l'oxygène et obtenir la haute résistivité attendue. Cependant, il arrive que des atomes d'oxygène diffusent dans le substrat avant ou pendant ce traitement, ce qui conduit à la formation dans le substrat de régions avec un faible taux de précipitation - donc une faible résistivité -, notamment au voisinage de la surface du substrat. Ces deux causes sont actuellement difficiles à maîtriser.
Un quatrième type de substrat consiste en un substrat de type HR-SOI dans lequel le substrat HR est amélioré par l'ajout de pièges. Différentes techniques ont été développées dans ce but, mais elles présentent l'inconvénient d'être très sensibles aux traitements thermiques mis en oeuvre pour fabriquer le SOI puis les dispositifs sur ce dernier.
Ainsi, il est connu de déposer une couche de silicium poly-cristallin entre la couche d'oxyde (BOX) et le substrat HR. On pourra se référer à cet égard aux publications suivantes : D. Lederer, R. Lobet and J.-P. Raskin, "Enhanced high resistivity SOI wafers for RF applications," IEEE Intl. SOI Conf., pp. 46-47, 2004 ; D. Lederer and J.-P. Raskin, "New substrate passivation method dedicated to high resistivity SOI wafer fabrication with increase substrate resistivity," IEEE Electron Device Letters, vol. 26, no. 11, pp. 805-807, 2005 ; D. Lederer et J.-P. Raskin, "RF performance of a commercial SOI technology transferred onto a passivated HR silicon substrate", IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 55, no. 7, pp. 1664-1671, 2008 ; et D. C. Kerr et al., "Identification of RF harmonic distortion on Si substrates and its reduction using a trap-rich layer", 978-1-4244-1856-5/08, IEEE 2008 IEEE. Cependant, le silicium poly-cristallin recristallise à haute température, et les dopants présents à l'interface entre la couche de silicium poly-cristallin et le substrat de silicium HR diffusent dans ce dernier, ce qui a pour effet d'en diminuer la résistivité. Le document WO 2010/002515 propose quant à lui une alternative à l'emploi d'un substrat de base en silicium HR dans les substrats HR-SOI mentionnés plus haut, en remplaçant ce substrat de base massif par une structure comprenant une couche semi-conductrice épaisse à haute résistivité sur un support de résistivité standard. Pour éviter que des dopants ou contaminants présents dans le support ne risquent de diffuser dans cette couche semi-conductrice hautement résistive et ainsi diminuer sa résistivité, il est préconisé de disposer, entre le support et ladite couche semi-conductrice, une barrière de diffusion. Une telle barrière de diffusion peut consister en une ou plusieurs couches d'oxyde de silicium et/ou de nitrure de silicium et présente une épaisseur d'au moins 20 nm. Par ailleurs, de par sa forte épaisseur (de l'ordre de 50 à 100 µm), cette couche résistive est assimilable à un substrat. Les substrats pour dispositifs radiofréquence sont sujets au fait qu'à haute fréquence, le champ électrique pénètre dans le substrat, et affecte les éventuels porteurs de charges qu'il rencontre, avec pour conséquences, d'une part, une consommation inutile d'énergie (cet effet est appelé « transmission loss » selon la terminologie anglo-saxonne, ou « perte d'insertion ») ; d'autre part, l'influence sur d'autres dispositifs, dont le comportement sera modifié à travers le substrat (effet désigné par le terme anglais de « crosstalk »). De plus, la montée et descente du signal induit une variation de la capacité du substrat qui conduit à la génération d'ondes à des fréquences harmoniques de la fréquence principale. Ces ondes harmoniques et leurs combinaisons peuvent constituer des signaux parasites particulièrement gênants pour les applications radiofréquences. L'utilisation d'une couche de silicium poly-cristallin bloque le potentiel sous le BOX, limitant ainsi les variations de capacité et donc réduisant la puissance des ondes harmoniques générées. Enfin, la présence éventuelle de charges dans le BOX, ainsi que l'utilisation de tensions continues par certain dispositifs peut conduire à la création d'une couche d'accumulation ou d'inversion (donc très conductrice) sous le BOX. La couche de silicium poly-cristallin, bloquant le potentiel sous le BOX, supprime cet effet négatif. Un but de la présente invention est donc de procurer des substrats de type HR-SOI ne présentant pas les inconvénients des substrats de l'art antérieur. Plus précisément, un but de l'invention est de définir un procédé de fabrication d'un substrat de type HR-SOI qui minimise la perte de résistivité de la couche de silicium polycristallin.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION Conformément à l'invention, il est proposé un procédé de fabrication d'un substrat de base pour la fabrication d'un substrat de type semi-conducteur sur isolant, comprenant les étapes suivantes : (a) fourniture d'un substrat de silicium présentant une résistivité électrique supérieure à 500 Ohm.cm, (b) nettoyage de la surface dudit substrat, de manière à retirer l'oxyde natif et/ou les dopants présents à la surface du substrat, (c) formation, sur ledit substrat d'une couche d'un matériau diélectrique, (d) formation sur ladite couche d'une couche de silicium poly-cristallin, ledit procédé étant caractérisé en ce que les étapes (b), (c) et (d) sont mises en oeuvre successivement dans une même enceinte. Le substrat obtenu à l'issue de l'étape (d), c'est-à-dire formé du substrat de silicium, de la couche de matériau diélectrique et de la couche de silicium poly-cristallin peut constituer un substrat de base pour un substrat de type HR-SOI, c'est-à-dire la portion du substrat SOI qui supporte la couche isolante (BOX) et la couche mince semi-conductrice. De manière avantageuse, le nettoyage de l'étape (b) comprend un traitement thermique dans une atmosphère réductrice. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le matériau diélectrique est de l'oxyde de silicium. L'étape (c) comprend alors avantageusement un traitement thermique du substrat de silicium dans une atmosphère oxydante. De manière préférée, ladite atmosphère oxydante comprend un gaz neutre et de l'oxygène, la teneur en oxygène étant comprise entre 100 et 5000 ppm.
Ensuite, l'étape (d) comprend un dépôt de silicium poly-cristallin à une température inférieure ou égale à 900°C. De manière particulièrement avantageuse, l'enceinte dans laquelle sont conduites les étapes (b) à (d) est un bâti d'épitaxie. De manière alternative, l'enceinte comprend une première chambre pour la mise en oeuvre de l'étape (b), une deuxième chambre pour la mise en oeuvre de l'étape (c) et une troisième chambre pour la mise en oeuvre de l'étape (d), lesdites chambres étant reliées par des sas isolés de l'extérieur.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma de l'enceinte contenant le substrat à haute résistivité, - la figure 2 illustre de manière schématique la formation, dans la même enceinte, d'une couche de matériau diélectrique sur le substrat, - la figure 3 illustre de manière schématique le dépôt, dans la même enceinte, d'une couche de silicium poly-cristallin sur la couche de diélectrique, - la figure 4 illustre une variante dans laquelle le procédé est mis en oeuvre dans une enceinte comprenant plusieurs chambres.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Les étapes du procédé sont décrites en référence aux figures 1 à 3. Comme illustré à la figure 1, on place un substrat 1 qui est en silicium à haute résistivité dans une enceinte 10 qui est isolée vis-à-vis de l'environnement extérieur. On entend dans le présent texte par « haute résistivité » une résistivité électrique effective supérieure à 500 Ohm.cm, de préférence supérieure à 1000 Ohm.cm et de manière encore préférée supérieure à 3000 Ohm.cm, la résistivité électrique effective étant la résistivité d'un élément résistif homogène dans un circuit électrique équivalent.
Une première étape comprend un nettoyage du substrat 1, de manière à supprimer tout oxyde natif et tout contaminant présents à la surface. A cet effet, on met en oeuvre dans un premier temps un traitement thermique du substrat dans une atmosphère réductrice de manière à retirer tout oxyde natif de la surface. Par exemple, on applique un traitement à 1100°C sous atmosphère de H2 (dit « H2 bake » selon la terminologie anglo-saxonne) pendant 30 secondes, mais l'homme du métier est naturellement à même de définir d'autres conditions appropriées. Dans un deuxième temps, on met en oeuvre un traitement de gravure de la surface de manière à retirer une fine couche superficielle de silicium contaminé par des dopants. Par exemple, on applique un traitement thermique à 1100°C sous atmosphère HCl/H2 pendant 30 secondes, de manière à graver la surface du substrat sur 0,1 et 0,5 micromètres. On obtient ainsi un substrat dont la surface est dépourvue d'oxyde natif et de contaminants. Ensuite, en référence à la figure 2, tout en laissant le substrat 1 dans l'enceinte 10, on forme sur le substrat 1 une couche 2 d'un matériau diélectrique.
Tout matériau diélectrique peut être employé, pour autant que sa formation n'entraîne pas l'apport de contaminants. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ledit matériau diélectrique est de l'oxyde de silicium.
Dans ce cas, l'étape d'oxydation peut par exemple comprendre un traitement thermique à 1100°C pendant 20 secondes dans une atmosphère légèrement oxydante. La composition de ladite atmosphère légèrement oxydante comprend principalement un ou plusieurs gaz neutres (par exemple de l'argon), et une faible proportion d'oxygène, typiquement comprise entre 100 et 5000 ppm.
Il est en effet souhaitable de ne pas amener trop d'oxygène dans l'enceinte afin de ne pas risquer d'oxyder les composants du bâti ou de contaminer le bâti d'épitaxie. On estime qu'une proportion de 1000 ppm d'O2 est suffisante pour former une fine couche d'oxyde 2 à la surface du substrat 1. Enfin, en référence à la figure 3, et en laissant toujours le substrat 1 recouvert de la couche d'oxyde 2 dans l'enceinte 10, on dépose une couche de silicium poly-cristallin 3 sur la couche d'oxyde 2. L'épaisseur de la couche 3 est de l'ordre de 0,2 à 10 µm, de préférence comprise entre 0,3 et 3 µm. Les procédés de dépôt de silicium poly-cristallin sont bien connus de l'homme du métier. On peut notamment employer une technique d'épitaxie à une température suffisamment faible pour que le silicium ne cristallise pas. Typiquement, une température de l'ordre de 900°C convient. Par ailleurs, la présence d'une couche d'oxyde (ou, plus généralement, d'un matériau diélectrique) sous-jacente entraîne la formation d'une couche poly-cristalline ou amorphe. Le substrat 1, 2, 3 obtenu à l'issue de ce procédé peut être utilisé comme substrat de base ou substrat récepteur pour la fabrication d'un substrat de type semi-conducteur sur isolant, par exemple par un procédé de type Smart-CutTM A cet effet, on peut effectuer une étape de dépôt ou de croissance d'oxyde ou d'un matériau diélectrique à faible constante diélectrique (dit « low k » selon la terminologie anglo-saxonne), de traitement thermique et de planarisation en vue de préparer la surface du substrat de base ainsi obtenu pour le collage avec un substrat donneur préalablement implanté pour former une zone de fragilisation délimitant la couche mince semi-conductrice (par exemple de silicium) destinée à devenir la couche utile.
Naturellement, tout autre procédé de report d'une couche mince semi-conductrice sur le substrat de base peut être mis en oeuvre sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. Le substrat semi-conducteur sur isolant ainsi obtenu présente des propriétés particulièrement intéressantes pour la réalisation de dispositifs radiofréquences. Le fait d'avoir effectué toutes les étapes de nettoyage, de formation de la couche diélectrique et de dépôt de silicium poly-cristallin dans la même enceinte permet d'éviter toute contamination du substrat. Il en résulte que, lorsque le substrat est utilisé comme substrat de base pour fabriquer un substrat de type semi-conducteur sur isolant puis pour fabriquer des dispositifs radiofréquences dans ou sur ledit substrat, il ne se produit pas de diffusion de contaminants sous l'effet des traitements thermiques appliqués. La résistivité de la couche 4 de silicium poly-cristallin n'est donc pas affectée par des contaminants.
Par enceinte, on entend dans le présent texte tout volume fermé et isolé de l'extérieur, et équipé des moyens adaptés pour mettre en oeuvre le nettoyage, la formation de la couche d'oxyde et la formation de la couche de silicium poly-cristallin. Ladite enceinte peut donc être une chambre, un réacteur, un four, etc. comprenant : - des moyens d'accès pour introduire le substrat de silicium et extraire le substrat sur lequel ont été formées la couche de matériau diélectrique et la couche de silicium poly- cristallin, - des moyens de fermeture pour fermer lesdits accès de manière étanche vis-à-vis de l'extérieur, - des moyens pour supporter le substrat pendant le nettoyage et la formation des couches de matériau diélectrique et de silicium poly-cristallin, - des moyens de chauffage, pour porter l'atmosphère et/ou le substrat à la température souhaitée pour chacune des étapes, - des moyens pour amener des gaz et/ou des réactifs de composition appropriée pour le nettoyage, l'oxydation ou le dépôt de matériau diélectrique et le dépôt du silicium poly- cristallin, - des moyens d'extraction des gaz et/ou des réactifs résiduels à l'issue de chaque étape du procédé. L'homme du métier connaît différents exemples de ces moyens et est à même d'équiper de manière adéquate une enceinte pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention.
De manière particulièrement avantageuse, l'enceinte est un bâti d'épitaxie.
En effet, un tel bâti est équipé des moyens indiqués ci-dessus et le procédé peut donc y être mis en oeuvre sans nécessiter d'aménagements substantiels de l'installation. Cependant, on pourrait également envisager, par exemple, d'employer un four destiné au dépôt de silicium poly-cristallin, à condition de l'équiper des moyens nécessaires pour la mise en ouvre des étapes de nettoyage et de formation de la couche de diélectrique. On pourrait également mettre en oeuvre le procédé dans un bâti comprenant plusieurs chambres destinées chacune à une étape du procédé, pour autant que les différentes chambres soient connectées les unes aux autres de manière à ce que le substrat ne soit pas exposé à l'environnement extérieur au bâti pendant l'ensemble du procédé.
Un exemple d'un tel bâti est illustré à la figure 4. Le bâti 10 comprend trois chambres 10A, 10B et 10C reliées entre elles par des sas 11A, 11B, de sorte à former ensemble une enceinte isolée de l'extérieur. Dans la première chambre 10A est effectué le nettoyage du substrat 1. Cette chambre 10A est essentiellement équipée de moyens de chauffage et d'amenée et d'extraction des gaz constituant l'atmosphère appropriée du nettoyage. La première chambre 10A est reliée à une deuxième chambre 10B par un sas 11A isolé de l'extérieur. Le bâti comporte en outre des moyens (non représentés) de convoyage du substrat pour transférer, à l'issue du nettoyage, le substrat 1 de la première chambre 10A (après extraction de l'atmosphère du traitement) vers la deuxième chambre 10B, à travers le sas 11A. La deuxième chambre 10B comprend quant à elle essentiellement des moyens de formation de la couche diélectrique 2, par exemple d'oxyde de silicium, sur le substrat 1, notamment des moyens de chauffage et d'amenée et d'extraction d'un ou plusieurs gaz neutres. La chambre 10B est reliée à une troisième chambre 10C par un sas 11B isolé de l'extérieur. Des moyens de convoyage permettent de transférer, à l'issue de l'étape d'oxydation, le substrat 1 recouvert de la couche de diélectrique 2 de la deuxième chambre 10B (après extraction de l'atmosphère du traitement) vers la troisième chambre 10C, à travers le sas 11B. La troisième chambre 10C comporte quant à elle des moyens pour faire croître une couche 3 de silicium poly-cristallin sur la couche d'oxyde 2. Ladite chambre 10C peut donc ainsi constituer un bâti d'épitaxie.
Enfin, il va de soi que les exemples que l'on vient de donner ne sont que des illustrations particulières en aucun cas limitatives quant aux domaines d'application de l'invention.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un substrat de base pour la fabrication d'un substrat de type semi-conducteur sur isolant, comprenant les étapes suivantes : (a) fourniture d'un substrat (1) de silicium présentant une résistivité électrique supérieure à 500 Ohm.cm, (b) nettoyage de la surface dudit substrat (1), de manière à retirer l'oxyde natif et/ou les dopants présents à la surface du substrat (1), (c) formation, sur ledit substrat (1) d'une couche (2) d'un matériau diélectrique, (d) formation sur ladite couche (2) d'une couche (3) de silicium poly-cristallin, ledit procédé étant caractérisé en ce que les étapes (b), (c) et (d) sont mises en oeuvre successivement dans une même enceinte (10).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nettoyage de l'étape (b) comprend un traitement thermique dans une atmosphère réductrice.
  3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau diélectrique est de l'oxyde de silicium.
  4. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape (c) comprend un traitement thermique du substrat (1) dans une atmosphère oxydante.
  5. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite atmosphère oxydante comprend un gaz neutre et de l'oxygène, la teneur en oxygène étant comprise entre 100 et 5000 ppm.
  6. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape (d) comprend un dépôt de silicium poly-cristallin à une température inférieure ou égale à 900CC.
  7. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite enceinte (10) est un bâti d'épitaxie.
  8. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite enceinte (10) comprend une première chambre (10A) pour la mise en oeuvre de l'étape (b), une deuxième chambre (10B) pour la mise en oeuvre de l'étape (c) et une troisième chambre(10C) pour la mise en oeuvre de l'étape (d), lesdites chambres étant reliées par des sas (11A, 11B) isolés de l'extérieur.
  9. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le substrat (1, 2, 3) obtenu à l'étape (d) est utilisé comme substrat de base dans la fabrication d'un substrat de type semi-conducteur sur isolant.
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