FR3034108A1 - Methode de reduction de defauts et fabrication de substrat - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un procédé de réduction des défauts pour des substrats comprenant du silicium, en particulier formés par le procédé Czochralski. Le procédé comprend un premier traitement thermique dans une atmosphère sensiblement non oxydante et un deuxième traitement thermique dans une atmosphère oxydante. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un substrat de silicium sur isolant obtenu par une technique de transfert de couche comprenant en outre ledit procédé de réduction des défauts.

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de réduction des défauts dans des substrats comprenant du silicium cristallin, en particulier du silicium 5 monocristallin tel qu'obtenu par des procédés de croissance de cristaux, par exemple le procédé Czochralski. Contexte de l'invention 10 L'objectif de l'invention est de proposer un procédé de réduction des défauts dans le silicium qui sont intrinsèques du fait de son procédé de production, comme la production de lingots de silicium à l'aide du procédé Czochralski. Les fondements du procédé Czochralski s'expliquent comme suit. Un germe 15 cristallin d'orientation précise est plongé dans du silicium fondu et la tige sur laquelle est monté le germe cristallin est lentement tirée vers le haut et simultanément tournée. Le contrôle précis du gradient de température, de la vitesse de tirage et de la vitesse de rotation permet l'extraction de grands lingots cylindriques monocristallins de la masse fondue. 20 Il s'est avéré que le contrôle des paramètres susmentionnés est essentiel afin de contrôler la quantité de défauts et le type de défauts dans de tels lingots, spécialement pour les applications de microélectronique pour lesquelles même la plus infime quantité de défauts rendrait les dispositifs 25 formés ensuite inutilisables. Afin d'obtenir des cristaux de silicium dits quasi-parfaits, il faut contrôler précisément le rapport entre la vitesse de tirage vp et le gradient de température dT de telle sorte que vp/dT soit aussi proche que possible de la 30 valeur 2x10-5 cm2/Ks. Seule cette valeur permet de faire croître des cristaux quasi-parfaits convenant pour les applications microélectroniques. De légers 3034108 2 écarts à la valeur précitée conduisent déjà à l'incorporation de défauts dans le lingot de silicium solidifié. Les types de défauts peuvent être principalement qualifiés comme étant de type lacune ou de type interstitiel, pour des valeurs respectivement supérieures ou inférieures au seuil précité.

De tels défauts peuvent avoir une étendue spatiale de plusieurs nanomètres, en particulier 1 nm à 5 nm ou même 10 nm. Cela pourrait être le cas chaque fois que l'on choisit des conditions de croissance assez éloignées de la valeur critique vp/dT mentionnée ci-dessus pour lesquelles des défauts de type lacune ou interstitiel ainsi que des défauts dits de précipitation d'oxygène dans la gamme des nanomètres ou même plus grands peuvent apparaître. Ces défauts plutôt volumineux ont des effets préjudiciables sur les applications microélectroniques. Plus près de la valeur critique, l'étendue spatiale des défauts de type lacune ou interstitiel créés pourrait se situer dans la gamme du dixième d'A. Ces petits défauts ne pourraient pas être directement préjudiciables pour la qualité du substrat, mais par exemple les petits défauts de type lacune jouent un rôle essentiel comme sites de nucléation pour les défauts de précipitation d'oxygène de plus grande étendue. Une telle précipitation pourrait se produire pendant les traitements thermiques nécessaires dans le traitement au niveau dispositif de tels substrats. Comme mentionné précédemment, ces défauts plus volumineux sont particulièrement préjudiciables pour les applications de dispositifs ayant la même gamme de grandeur, comme c'est le cas par exemple pour les substrats de silicium sur isolant dits totalement appauvris (FD-SOI) obtenus par transfert d'une couche mince de silicium avec une épaisseur dans la gamme de 5 nm à 10 nm. Pour de plus amples détails concernant les défauts dans le silicium, nous renvoyons à Grown-in defects in silicon produced by agglomeration of vacancies and self-interstitials, de Voronkov et coll., Journal of Crystal Growth, 04/2008, 310, pages 13071314, ou à The engineering of intrinsic point defects in silicon wafers and crystals, de Falster et coll., MRS Bulletin, juin 2000, pages 28-32.

3034108 3 Les techniques telles que le transfert de couche, tel qu'obtenu par exemple par la technique SmartCutTM bien connue, sont assez onéreuses, et afin d'accroître le flux de production pour les types de substrats mentionnés ci-dessus, il est nécessaire de rechercher des procédés de réduction des 5 défauts dans le matériau de base qui est du silicium obtenu par exemple par le procédé Czochralski. Il est bien connu (voir par exemple Comparison of the impact of thermal treatments on the second and on the millisecond scales on the precipitation 10 of interstitiel oxygen, de Kissinger et coll., ECS J. Solid State Sci. Technol., 2012, Volume 1, Numéro 6, pages 269-275) que les défauts du type lacune peuvent être guéris par un traitement thermique dans une atmosphère oxydante à une température dans la gamme de 1000 °C à 1150 °C, et conduisant ainsi à des densités finales de défauts bien inférieures à 105 cm-3 15 (par rapport au volume), ce qui est acceptable pour les applications microélectroniques. Concernant les défauts de type interstitiel, on pourrait se référer aux traitements thermiques nécessitant des températures aussi élevées que 1200 °C à 1250 °C comme le propose le document US6635587. Cependant, un tel traitement à haute température seul conduit 20 à la création de défauts de type lacune qui jouent le rôle préjudiciable de sites de nucléation pour la précipitation d'oxygène. Par conséquent, nous avons besoin d'un procédé de réduction des défauts capable de diminuer la densité globale de défauts indépendamment du type de défaut (lacune et/ou interstitiel) qui pourrait même être présent sous forme mixte.

25 La présente invention résout les problèmes mentionnés ci-dessus, ce qui permet de réduire la densité de défauts dans un substrat comprenant du silicium formé par des procédés de croissance tels que le procédé Czochralski, et ce qui donne ainsi plus de flexibilité dans le choix du 30 matériau de départ, car la densité de défauts du substrat de silicium brut de croissance peut être guéri.

3034108 4 Description de l'invention En particulier, la présente invention concerne un procédé de réduction des 5 défauts pour des substrats comprenant du silicium, en particulier formés par le procédé Czochralski, comprenant un premier traitement thermique dans une atmosphère sensiblement non oxydante et un deuxième traitement thermique dans une atmosphère oxydante.

10 D'autres modes de réalisation avantageux concernent un procédé de réduction des défauts selon la revendication 1 dans lequel le premier traitement thermique est effectué à une température dans la gamme de 1150 °C à 1300 °C, de préférence dans la gamme de 1200 °C à 1250 °C.

15 D'autres modes de réalisation avantageux concernent un procédé de réduction des défauts selon une des revendications précédentes dans lequel l'atmosphère sensiblement non oxydante du premier traitement thermique est une atmosphère d'argon contenant de l'oxygène au maximum à 1000 ppm, de préférence 500 ppm, mieux 200 ppm, ou mieux encore ne 20 contenant pas d'oxygène. D'autres modes de réalisation avantageux concernent un procédé de réduction des défauts selon une des revendications précédentes dans lequel le deuxième traitement thermique est effectué à une température dans la 25 gamme de 900 °C à 1150 °C, de préférence dans la gamme de 950 °C à 1100 °C. D'autres modes de réalisation avantageux concernent un procédé de réduction des défauts selon une des revendications précédentes dans lequel 30 l'atmosphère oxydante du deuxième traitement thermique est une 3 0 3 4 10 8 5 atmosphère d'argon contenant de l'oxygène dans la gamme de 100 ppm à 10 000 ppm, de préférence 800 ppm à 1000 ppm. D'autres modes de réalisation avantageux concernent un procédé de 5 réduction des défauts selon une des revendications précédentes dans lequel le premier traitement thermique est effectué sur une durée au maximum de 60 s, de préférence 20 s, ou mieux encore 10 s. D'autres modes de réalisation avantageux concernent un procédé de 10 réduction des défauts selon une des revendications précédentes dans lequel le deuxième traitement thermique est effectué sur une durée au maximum de 60 s, de préférence 20 s, ou mieux encore 10 s. D'autres modes de réalisation avantageux concernent un procédé de 15 réduction des défauts selon une des revendications précédentes dans lequel la vitesse de chauffage et/ou de refroidissement du premier traitement thermique est supérieure à 5 °C/s, de préférence supérieure à 50 °C/s. D'autres modes de réalisation avantageux concernent un procédé de 20 réduction des défauts selon une des revendications précédentes dans lequel la vitesse de chauffage et/ou de refroidissement du deuxième traitement thermique est supérieure à 5 °C/s, de préférence supérieure à 50 °C/s. D'autres modes de réalisation avantageux concernent un procédé de 25 réduction des défauts selon une des revendications précédentes dans lequel le premier traitement thermique est suivi d'une étape de refroidissement afin d'obtenir la température du deuxième traitement thermique consécutif. La présente invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un 30 substrat de silicium sur isolant obtenu par une technique de transfert de 3034108 6 couche comprenant en outre une étape de réduction des défauts selon une des revendications précédentes. La présente invention concerne également un procédé de réduction des 5 défauts pour des substrats comprenant du silicium ainsi qu'un procédé de fabrication d'un substrat de silicium sur isolant comprenant une étape selon le procédé de réduction des défauts. La présente invention va maintenant être décrite par renvoi à des modes de 10 réalisation spécifiques. L'homme du métier comprendra parfaitement que des caractéristiques et alternatives de n'importe lequel des modes de réalisation peuvent être combinées, indépendamment les unes des autres, avec des caractéristiques et alternatives de n'importe quel autre mode de réalisation conformément à la portée des revendications.

15 Comme mentionné précédemment, deux types de défauts intrinsèques, à savoir le type lacune et le type interstitiel, se forment en fonction des conditions locales dans lesquelles le silicium est solidifié, en particulier en fonction du rapport vp/dT susmentionné où vp est la vitesse de tirage et dT 20 est le gradient de température axial local dans le cristal près de l'interface masse fondue-solide. Il est bien connu que les deux types de défauts peuvent se recombiner, ce qui aboutit à une sursaturation d'une espèce et une sous-saturation de l'autre. La plus grande partie du silicium produit est élaborée dans des conditions se soldant par des défauts presque 25 uniquement de type lacune et une approche consiste à améliorer et adapter les réactions conduisant à de tels défauts de lacunes afin de réduire leur densité. Cette modification pourrait être obtenue par un traitement thermique dans une atmosphère oxydante. Ce type de traitement présente une sorte d'effet d'étirement sur la constante de réseau, ce qui lui permet, une fois 30 qu'un défaut local de type lacune est rencontré, de se recombiner avec ce dernier et se relâcher à la constante de réseau normale à l'équilibre du 3034108 7 silicium sans défauts. Cependant, on sait bien qu'un tel traitement n'a aucun effet sur le type restant des défauts interstitiels qui pourraient être encore présents dans ces substrats de silicium.

5 La présente invention propose une combinaison de traitements thermiques conduisant à des substrats contenant du silicium pratiquement sans défauts. Ce contrôle et cette réduction des défauts peuvent être obtenus près de la surface du substrat respectif ou même profondément dans le volume dudit substrat, en fonction des conditions des traitements thermiques. Un tel 10 contrôle est particulièrement intéressant pour une application comme les substrats de silicium sur isolant totalement appauvris (FD-S01) pour lesquels des couches très minces de silicium (gamme d'épaisseur de 1 nm à 5 nm, ou même jusqu'à 10 nm) sont impliquées.

15 Un traitement thermique implique généralement une étape d'augmentation de la température en suivant une vitesse de chauffage prédéterminée jusqu'à un niveau de température. Ce niveau de température se situe dans la gamme de température appropriée pour le traitement thermique, pendant la durée du traitement thermique. Le niveau de température pourrait être 20 modifié sur la durée du traitement thermique à l'intérieur de la gamme applicable pour le traitement thermique. Le traitement thermique au niveau de température est suivi d'une étape de diminution de la température en suivant une vitesse de refroidissement prédéterminée jusqu'à un deuxième niveau de température, en particulier des conditions de température 25 ambiante. Comme on l'indiquera plus loin, il pourrait être intéressant dans certains modes de réalisation de choisir le deuxième niveau de température dans la gamme d'un traitement thermique consécutif. La combinaison de traitements thermiques dans notre présente invention 30 comprend un premier traitement thermique appliqué au substrat contenant du silicium dans une atmosphère sensiblement non oxydante. Cette 3034 108 8 atmosphère non oxydante est de préférence une atmosphère d'argon pur, mais d'autres types sont également envisageables, comme H2 ou N2 par exemple. En outre, dans le cas d'une atmosphère d'argon (ou de tout autre gaz inerte), on pourrait ajouter une petite quantité d'oxygène. L'introduction d'oxygène influence la capacité du premier traitement thermique à traiter le type interstitiel de défauts. Cependant, même avec des teneurs en oxygène allant jusqu'à 1000 ppm, un effet considérable de réduction de ce type de défauts peut être atteint. Plus la quantité d'oxygène est faible, plus la réduction des défauts de type interstitiel est importante. Par conséquent, 10 l'introduction d'oxygène s'écarte de l'atmosphère d'argon pur non oxydante idéale, et des effets et réactions d'oxydation se produisent à la surface du substrat traité. De préférence, une teneur en oxygène inférieure à 1000 ppm, ou mieux inférieure à 500 ppm, ou mieux encore inférieure à 200 ppm, ou encore mieux nulle en oxygène, est utilisée. Cependant, une 15 fenêtre de traitement entre 1 ppm et 100 ppm devrait être évitée, car ces conditions se soldent par un décapage de la surface dû à la réaction chimique produisant du SiO volatil. Néanmoins, des teneurs en oxygène supérieures à 100 ppm conduisent à l'oxyde stable SiO2 qui n'altère pas les propriétés de rugosité de surface. Par conséquent, et de façon 20 particulièrement intéressante pour les applications comme le procédé SOI pour lequel des couches minces sont transférées (et les propriétés de liaison et des paramètres tels que la rugosité doivent être optimisés), soit une atmosphère d'argon de grande pureté devrait être utilisée, laquelle pourrait à son tour être techniquement difficile à contrôler, soit une atmosphère 25 d'argon contenant une petite quantité d'oxygène supérieure à 100 ppm devrait être employée afin d'éviter la fenêtre du processus de dégradation de la surface mentionnée ci-dessus. Ce premier traitement thermique est maintenu dans la gamme de 1150 °C à 1300 °C, de préférence dans la gamme de 1200 °C à 1250 °C. La durée du premier traitement thermique est 30 ainsi au maximum de 60 s, de préférence 20 s, ou mieux encore 10 s.

3034108 9 Le premier traitement thermique est particulièrement important pour les défauts de type interstitiel et conduit à une réduction importante de la densité de ce type de défauts. Cependant, la réduction du type interstitiel de défauts s'accompagne simultanément d'un accroissement de la densité des 5 défauts de type lacune. Le premier traitement thermique aboutit en quelque sorte à une conversion du type de défauts. L'ampleur de cette réduction et cette conversion de la densité de défauts sur le substrat contenant du silicium dépend des paramètres susmentionnés que sont la température, la durée, mais aussi la vitesse utilisée pour atteindre et contrôler la 10 température. En outre, l'épaisseur du substrat joue aussi un rôle, car les conditions d'équilibre thermique impliquent dans une certaine mesure les conditions aux limites. Pour des substrats plus épais, des conditions de recuit plus long et/ou des températures plus élevées pourraient s'avérer nécessaires afin d'avoir un effet situé plus profondément dans le substrat 15 par rapport à sa surface. La vitesse de chauffage ainsi que la vitesse de refroidissement pour le premier traitement thermique devraient être assez fortes, en particulier supérieures à 5 °C/s, ou de préférence supérieures à 50 °C/s, afin d'éviter 20 l'effet d'autres gammes de température sur le substrat contenant du silicium. Par exemple, comme il est bien connu qu'un traitement thermique entre 800 °C et 900 °C se solderait par une précipitation d'oxygène utilisant les petits défauts de type lacune comme sites de nucléation, il est important de ne pas maintenir de telles températures sur une longue durée, comme 25 plusieurs secondes par exemple. Il serait même avantageux d'éviter une exposition à de telles températures de substrats contenant du silicium comprenant ce type de défauts de lacunes. La combinaison de traitements thermiques comprend en outre un deuxième 30 traitement thermique dans une atmosphère oxydante qui, comme indiqué précédemment, est important pour les défauts de lacunes restant dans le 3034108 10 substrat contenant du silicium. Une telle atmosphère oxydante est de préférence une atmosphère d'argon contenant de faibles quantités d'oxygène dans la gamme de 100 ppm à 10 000 ppm, de préférence 800 ppm à 1000 ppm. Ce deuxième traitement est maintenu dans la gamme 5 de 900 °C à 1150 °C, de préférence dans la gamme de 950 °C à 1100 °C. La durée pour le premier traitement thermique est ainsi au maximum de 60 s, de préférence 20 s, ou mieux encore 10 s. Ce deuxième traitement thermique conduit à une réduction de la densité de défauts de lacunes comme mentionné précédemment, et la combinaison avec le premier 10 traitement thermique permet une réduction globale des deux types de défauts, se soldant ainsi par des substrats contenant du silicium pratiquement sans défauts. Un raisonnement similaire s'applique concernant l'influence des paramètres sur l'effet du procédé de réduction des défauts du deuxième traitement thermique en matière d'épaisseur du substrat.

15 Un raisonnement similaire s'applique aussi à la vitesse de refroidissement et de chauffage pour le deuxième traitement thermique. Par exemple, après le deuxième traitement thermique, il se pourrait que de très faibles quantités de défauts de type lacune existent encore dans le substrat contenant du 20 silicium, pour lesquels on devrait éviter la précipitation d'oxygène telle que mentionnée ci-dessus à des températures autour de 800 °C à 900 °C. Un mode de réalisation avantageux serait la réalisation successive immédiate des deux traitements thermiques afin d'éviter une étape de 25 refroidissement intermédiaire passant par la région de température inférieure de 800 °C à 900 °C. Un tel procédé de réduction des défauts est particulièrement intéressant pour les substrats dits de silicium sur isolant (SOI), en particulier les 30 substrats FD-SOI mentionnés ci-dessus.

3034108 11 Les substrats SOI sont généralement formés par des techniques de transfert de couche bien connues telles que la technique dite SmartCutTM. Dans ce cas, l'implantation d'hydrogène et/ou d'hélium conduit à la création d'une zone affaiblie dans le substrat de silicium. Après formation d'un oxyde 5 contrôlé avec précision sur la surface dudit substrat de silicium, un collage moléculaire est effectuée afin d'assembler le substrat de silicium implanté avec sa surface finie d'oxyde sur un autre substrat récepteur, en particulier un autre substrat de silicium. Une séparation consécutive au niveau de la zone affaiblie due aux contraintes thermiques et/ou mécaniques permet 10 d'obtenir une couche mince de matériau en silicium restante, séparée par son oxyde du substrat reçu sous-jacent. D'autres possibilités que l'implantation basée sur la technique SmartCutTM pourraient être le collage d'un substrat de silicium avec son oxyde respectif à un autre substrat de silicium, et un polissage/meulage mécanique afin de réduire l'épaisseur de 15 la couche de silicium restante. Le procédé de réduction des défauts de notre présente invention peut être directement appliqué et intégré dans un tel procédé de fabrication de substrats de silicium sur isolant, et ce même à tous les stades des étapes 20 susmentionnées de la technique de transfert de couche impliquée. Il peut être appliqué une fois la structure SOI obtenue, mais de préférence avant le collage.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de réduction des défauts pour des substrats comprenant du silicium, en particulier formés par le procédé Czochralski, comprenant un premier traitement thermique dans une atmosphère sensiblement non oxydante et un deuxième traitement thermique dans une atmosphère oxydante.
2. 2. Procédé de réduction des défauts selon la revendication 1 dans lequel le 10 premier traitement thermique est effectué à une température dans la gamme de 1150 °C à 1300 °C, de préférence dans la gamme de 1200 °C à 1250 °C.
3. 3. Procédé de réduction des défauts selon une des revendications précédentes dans lequel l'atmosphère sensiblement non oxydante du 15 premier traitement thermique est une atmosphère d'argon contenant de l'oxygène au maximum à 1000 ppm, de préférence 500 ppm, mieux 200 ppm, ou mieux encore ne contenant pas d'oxygène.
4. 4. Procédé de réduction des défauts selon une des revendications 20 précédentes dans lequel le deuxième traitement thermique est effectué à une température dans la gamme de 900 °C à 1150 °C, de préférence dans la gamme de 950 °C à 1100 °C.
5. 5. Procédé de réduction des défauts selon une des revendications 25 précédentes dans lequel l'atmosphère oxydante du deuxième traitement thermique est une atmosphère d'argon contenant de l'oxygène dans la gamme de 100 ppm à 10 000 ppm, de préférence 800 ppm à 1000 ppm.
6. 6. Procédé de réduction des défauts selon une des revendications 30 précédentes dans lequel le premier traitement thermique est effectué sur une durée au maximum de 60 s, de préférence 20 s, ou mieux encore 10 s. 3034 10 8 13
7. 7. Procédé de réduction des défauts selon une des revendications précédentes dans lequel le deuxième traitement thermique est effectué sur une durée au maximum de 60 s, de préférence 20 s, ou mieux encore 10 s.
8. 8. Procédé de réduction des défauts selon une des revendications précédentes dans lequel la vitesse de chauffage et/ou de refroidissement du premier traitement thermique est supérieure à 5 °C/s, de préférence supérieure à 50 °C/s.
9. 9. Procédé de réduction des défauts selon une des revendications précédentes dans lequel la vitesse de chauffage et/ou de refroidissement du deuxième traitement thermique est supérieure à 5 °C/s, de préférence supérieure à 50 °C/s.
10. 10. Procédé de réduction des défauts selon une des revendications précédentes dans lequel le premier traitement thermique est suivi d'une étape de refroidissement afin d'obtenir la température du deuxième traitement thermique consécutif.
11. 11. Procédé de fabrication d'un substrat de silicium sur isolant obtenu par une technique de transfert de couche comprenant en outre une étape de réduction des défauts selon une des revendications précédentes.