FR3076393A1 - Procede de transfert d'une couche utile - Google Patents
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Abstract
Ce procédé comporte les étapes successives : a) prévoir un substrat donneur (3), comprenant : - une première surface (30) et une seconde surface (31) opposée ; - des bords latéraux (32) ; - une couche de recouvrement (4) s'étendant en périphérie ; - une zone de fragilisation (ZS) ; b) assembler le substrat donneur (3) au substrat support (2) par adhésion directe, suivant une surface de contact (SC) présentant un contour inscrit dans le contour de la zone de fragilisation (ZS) ; c) graver la couche de recouvrement (4) s'étendant sur la seconde surface (31) et sur les bords latéraux (32) ; d) graver la seconde surface (31) et les bords latéraux (32) jusqu'à ce que le contour de la zone de fragilisation (ZS) coïncide avec le contour de la surface de contact (SC) ; e) fracturer le substrat donneur (3) suivant la zone de fragilisation (ZS).
Description
PROCEDE DE TRANSFERT D’UNE COUCHE UTILE
Domaine technique
L’invention se rapporte au domaine technique du transfert d’une couche utile sur un substrat support par la technologie Smart Cut™.
L’invention trouve notamment son application dans la fabrication de substrats de type silicium sur isolant SOI (« Silicon-On-Insulator» en langue anglaise).
Etat de la technique antérieure
Un procédé de transfert d’une couche utile sur un substrat support, connu de l’état de la technique, comporte les étapes successives :
ao) prévoir un substrat donneur, comprenant :
- une première surface et une seconde surface opposée ;
- des bords latéraux reliant les première et seconde surfaces ;
- une couche diélectrique s’étendant sur les première et seconde surfaces et sur les bords latéraux ;
bo) implanter des espèces gazeuses dans le substrat donneur, à travers la couche diélectrique s’étendant sur la première surface du substrat donneur, de manière à former une zone de fragilisation présentant un contour, la couche utile étant délimitée par la zone de fragilisation et par la première surface du substrat donneur ;
Co) assembler le substrat donneur au substrat support par une adhésion directe avec la couche diélectrique s’étendant sur la première surface du substrat donneur, et suivant une surface de contact présentant un contour inscrit dans le contour de la zone de fragilisation ;
do) fracturer le substrat donneur suivant la zone de fragilisation de manière à exposer la couche utile.
Ainsi, de manière générale, le contour de la surface de contact est inscrit dans le contour de la zone de fragilisation. En d’autres termes, lorsque la surface de contact et la zone de fragilisation sont circulaires, la zone de fragilisation présente généralement un diamètre supérieur au diamètre de la surface de contact. Il en résulte, après l’étape co), la présence de zones exfoliées et la présence de zones transférées sans contact (i.e. non collées ou mal collées par adhésion directe) avec le substrat support. Les zones transférées sans contact sont également appelées « casquettes » par l’homme du métier. Un tel procédé de l’état de la technique n’est pas entièrement satisfaisant dans la mesure où des particules, issues des zones exfoliées et des zones transférées sans contact, peuvent se déposer sur la couche utile exposée, avec une adhérence plus ou moins forte, et avec des risques de dégradation de la couche utile. En outre, ces particules sont susceptibles de contaminer les équipements permettant d’exécuter l’étape do) ou les étapes postérieures.
Une solution connue de l’état de la technique consiste à diminuer le diamètre de la zone de fragilisation avant l’étape co) par une action mécanique. Cette solution n’est pas entièrement satisfaisante dans la mesure où une perte de surface de la couche utile est constatée après transfert, quand bien même l’alignement mécanique serait excellent.
Exposé de l’invention
L’invention vise à remédier en tout ou partie aux inconvénients précités. A cet effet, l’invention a pour objet un procédé de transfert d’une couche utile sur un substrat support, comportant les étapes successives :
a) prévoir un substrat donneur, comprenant :
- une première surface et une seconde surface opposée ;
- des bords latéraux reliant les première et seconde surfaces ;
- une couche de recouvrement s’étendant sur les première et seconde surfaces et sur les bords latéraux ;
- une zone de fragilisation présentant un contour, la couche utile étant délimitée par la zone de fragilisation et par la première surface du substrat donneur ;
b) assembler le substrat donneur au substrat support par une adhésion directe avec la couche de recouvrement s’étendant sur la première surface du substrat donneur, et suivant une surface de contact présentant un contour inscrit dans le contour de la zone de fragilisation ;
c) graver la couche de recouvrement s’étendant sur la seconde surface et sur les bords latéraux du substrat donneur ;
d) graver la seconde surface et les bords latéraux du substrat donneur jusqu’à ce que le contour de la zone de fragilisation coïncide avec le contour de la surface de contact ;
e) fracturer le substrat donneur suivant la zone de fragilisation de manière à exposer la couche utile.
Ainsi, un tel procédé selon l’invention permet de réduire le contour de la zone de fragilisation grâce aux gravures successives des étapes c) et d). Par conséquent, la génération de particules issues de zones exfoliées et/ou de zones transférées sans contact est fortement limitée.
En outre, la réduction du contour de la zone de fragilisation est effectuée après l’étape b) de collage de sorte que le substrat support peut être utilisé comme masque de gravure. Ce masquage permet de réduire au minimum la perte de surface de la couche utile.
Enfin, un tel procédé selon l’invention permet de recycler aisément le substrat donneur.
Définitions
- Par « couche utile », on entend une couche à partir de laquelle peut être formé un dispositif pour tout type d’applications, notamment électronique, mécanique, optique etc.
- Par « adhésion directe », on entend un collage spontané (ou assisté par thermocompression) issu de la mise en contact direct de deux surfaces, c'est-à-dire en l’absence d’un élément additionnel tel qu’une colle, une cire ou une brasure. On parle également de collage par adhésion moléculaire ou de collage direct. L’adhésion provient principalement des forces de van der Waals issues de l’interaction électronique entre les atomes ou les molécules de deux surfaces, des liaisons hydrogène du fait des préparations des surfaces ou des liaisons covalentes établies entre les deux surfaces. L’adhésion provient principalement de l’établissement de liaisons métalliques dans le cas d’un collage spontané entre deux surfaces métalliques. L’adhésion provient principalement de la diffusion d’atomes métalliques à l’interface de collage dans le cas d’un collage assisté par thermocompression entre deux surfaces métalliques.
- Le terme « coïncide » signifie que les contours se confondent quand on les superpose. Ce terme s’entend dans les tolérances usuelles liées aux techniques de fabrication en microélectronique, et non au sens mathématique du terme.
Le procédé selon l’invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes.
Selon une caractéristique de l’invention, le substrat support comprend :
- une première surface et une seconde surface opposée ;
- des bords latéraux reliant les première et seconde surfaces ;
- une couche de recouvrement s’étendant sur les première et seconde surfaces et sur les bords latéraux ;
et l’étape b) est exécutée de sorte que l’adhésion directe s’opère entre la couche de recouvrement s’étendant sur la première surface du substrat donneur et la couche de recouvrement s’étendant sur la première surface du substrat support.
Selon une caractéristique de l’invention, la couche de recouvrement du substrat support et la couche de recouvrement du substrat donneur sont réalisées dans un même matériau ;
la couche de recouvrement du substrat support présente une épaisseur strictement supérieure à l’épaisseur de la couche de recouvrement du substrat donneur ;
l’étape c) est exécutée de manière à conserver une partie de la couche de recouvrement s’étendant sur la seconde surface et sur les bords latéraux du substrat support.
Ainsi, un avantage procuré par l’épaisseur supérieure de la couche de recouvrement du substrat support est de conserver une partie de la couche de recouvrement du substrat support, alors que la couche de recouvrement du substrat donneur est totalement éliminée, et ainsi de réduire les zones transférées sans contact.
Par « épaisseur », on entend la dimension suivant la normale au substrat donneur (ou au substrat support).
Selon une caractéristique de l’invention, la couche de recouvrement du substrat support et la couche de recouvrement du substrat donneur sont réalisées dans des matériaux différents ;
et l’étape c) est exécutée par une gravure sélective de la couche de recouvrement du substrat donneur par rapport à la couche de recouvrement du substrat support.
Par « gravure sélective » d’un matériau A par rapport à un matériau B, on entend que la vitesse de gravure du matériau A est au moins 5 fois, de préférence au moins 10 fois, plus préférentiellement au moins 20 fois supérieure à la vitesse de gravure du matériau B.
Selon une caractéristique de l’invention, le substrat donneur et la couche de recouvrement du substrat support sont réalisés dans des matériaux différents ;
et l’étape d) est exécutée par une gravure sélective du substrat donneur par rapport à la couche de recouvrement du substrat support.
Selon une caractéristique de l’invention, l’étape c) et l’étape d) sont exécutées en voie humide ou en voie sèche.
Ainsi, un avantage procuré est la possibilité d’exécuter les étapes c) et d) par gravure chimique ou par gravure au plasma.
Selon une caractéristique de l’invention, le substrat donneur prévu lors de l’étape a) est réalisé dans un matériau semi-conducteur, de préférence sélectionné parmi Si, Ge, SiGe, un matériau III-V tel que GaN, GaAs, InP.
Par « matériau III-V », on entend un alliage binaire entre des éléments situés respectivement dans la colonne III et dans la colonne V du tableau périodique des éléments.
Selon une caractéristique de l’invention, la couche de recouvrement s’étendant sur le substrat donneur prévu lors de l’étape a) est réalisée dans un matériau diélectrique, de préférence S1O2, ou dans un matériau métallique, de préférence sélectionné parmi Cu, Ti, W, Ni, Ag.
Ainsi, un avantage procuré est la possibilité de former aisément de telles couches de recouvrement pour différents matériaux dans lesquels peut être réalisé le substrat donneur.
Selon une caractéristique de l’invention, l’étape a) comporte les étapes :
ao) prévoir le substrat donneur comprenant :
- la première surface et la seconde surface opposée ;
- les bords latéraux reliant les première et seconde surfaces ;
ai) implanter des espèces gazeuses dans le substrat donneur, à travers la première surface du substrat donneur, de manière à former la zone de fragilisation, les espèces gazeuses comportant de préférence des atomes d’hydrogène ionisé ;
a2) former la couche de recouvrement s’étendant sur les première et seconde surfaces et sur les bords latéraux du substrat donneur.
Les étapes ai) et a2) peuvent être interverties selon la nature de la couche de recouvrement du substrat donneur.
Selon une caractéristique de l’invention, l’étape a) comporte une étape af) consistant à appliquer un traitement de surface de la couche de recouvrement s’étendant sur le substrat donneur ; l’étape af) étant exécutée après l’étape ai) et avant l’étape b).
Ainsi, un avantage procuré est le lissage et/ou le nettoyage et/ou l’activation de la surface de la couche de recouvrement pour la préparer au collage de l’étape b).
Selon une caractéristique de l’invention, l’étape e) est exécutée par un traitement thermique.
Selon une caractéristique de l’invention, le procédé comporte une étape bi) consistant à appliquer un traitement thermique à l’assemblage obtenu lors de l’étape b) selon un budget thermique adapté pour renforcer l’adhésion directe sans initier la fracture du substrat donneur suivant la zone de fragilisation ; l’étape bi) étant exécutée avant l’étape c).
Ainsi, un avantage procuré est un renforcement de l’adhésion directe en termes d’adhérence.
Par « budget thermique », on entend le choix d’une valeur de température et d’une valeur de durée du traitement thermique.
L’invention a également pour objet un procédé de transfert d’une couche utile sur un substrat support, le substrat support comprenant :
- une première surface et une seconde surface opposée ;
- des bords latéraux reliant les première et seconde surfaces ;
- une couche de recouvrement s’étendant sur les première et seconde surfaces et sur les bords latéraux ;
le procédé comportant les étapes successives :
a) prévoir un substrat donneur, comprenant :
- une première surface et une seconde surface opposée ;
- des bords latéraux reliant les première et seconde surfaces ;
- une zone de fragilisation présentant un contour, la couche utile étant délimitée par la zone de fragilisation et par la première surface du substrat donneur ;
b) assembler le substrat donneur au substrat support par une adhésion directe entre la première surface du substrat donneur et la couche de recouvrement s’étendant sur la première surface du substrat support, et suivant une surface de contact présentant un contour inscrit dans le contour de la zone de fragilisation ;
c) graver la couche de recouvrement s’étendant sur la seconde surface et sur les bords latéraux du substrat support ;
d) graver la seconde surface et les bords latéraux du substrat donneur jusqu’à ce que le contour de la zone de fragilisation coïncide avec le contour de la surface de contact ;
e) fracturer le substrat donneur suivant la zone de fragilisation de manière à exposer la couche utile.
Le concept inventif commun réside dans la réduction du contour de la zone de fragilisation grâce aux gravures successives des étapes c) et d). Par conséquent, la génération de particules issues de zones exfoliées et/ou de zones transférées sans contact est fortement limitée.
La réduction du contour de la zone de fragilisation est effectuée après l’étape b) de collage de sorte que le substrat donneur (et non le substrat support) peut être utilisé comme masque de gravure.
Brève description des dessins
D’autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans l’exposé détaillé de différents modes de réalisation de l’invention, l’exposé étant assorti d’exemples et de références aux dessins joints.
Figures la à lf sont des vues schématiques en coupe illustrant un premier mode de mise en œuvre d’un procédé selon l’invention.
Figures 2a à 2f sont des vues schématiques en coupe illustrant un deuxième mode de mise en œuvre d’un procédé selon l’invention.
Les figures ne sont pas représentées à l’échelle pour en simplifier leur compréhension.
Exposé détaillé des modes de réalisation
Les éléments identiques ou assurant la même fonction porteront les mêmes références pour les différents modes de réalisation, par souci de simplification.
Un objet de l’invention est un procédé de transfert d’une couche utile 1 sur un substrat support 2, comportant les étapes successives :
a) prévoir un substrat donneur 3, comprenant :
- une première surface 30 et une seconde surface 31 opposée ;
- des bords latéraux 32 reliant les première et seconde surfaces 30, 31 ;
- une couche de recouvrement 4 s’étendant sur les première et seconde surfaces 30, 31 et sur les bords latéraux 32 ;
- une zone de fragilisation ZS présentant un contour, la couche utile 1 étant délimitée par la zone de fragilisation ZS et par la première surface 30 du substrat donneur 3 ;
b) assembler le substrat donneur 3 au substrat support 2 par une adhésion directe avec la couche de recouvrement 4 s’étendant sur la première surface 30 du substrat donneur 3, et suivant une surface de contact SC présentant un contour inscrit dans le contour de la zone de fragilisation ZS ;
c) graver la couche de recouvrement 4 s’étendant sur la seconde surface 31 et sur les bords latéraux 32 du substrat donneur 3 ;
d) graver la seconde surface 31 et les bords latéraux 32 du substrat donneur 3 jusqu’à ce que le contour de la zone de fragilisation ZS coïncide avec le contour de la surface de contact SC ;
e) fracturer le substrat donneur 3 suivant la zone de fragilisation ZS de manière à exposer la couche utile 1.
L’étape a) est illustrée aux figures la et 2a. L’étape b) est illustrée aux figures le et 2c. L’étape c) est illustrée aux figures ld et 2d. L’étape d) est illustrée aux figures le et 2e. Enfin, l’étape e) est illustrée aux figures lf et 2f.
Substrat donneur
L’étape a) peut comporter les étapes :
ao) prévoir le substrat donneur 3 comprenant :
- la première surface 30 et la seconde surface 31 opposée ;
- les bords latéraux 32 reliant les première et seconde surfaces 30, 31 ;
ai) implanter des espèces gazeuses dans le substrat donneur 3, à travers la première surface 30 du substrat donneur 3, de manière à former la zone de fragilisation ZS, les espèces gazeuses comportant de préférence des atomes d’hydrogène ionisé ;
a2) former la couche de recouvrement 4 s’étendant sur les première et seconde surfaces 30, 31 et sur les bords latéraux 32 du substrat donneur 3.
Le substrat donneur 3 prévu lors de l’étape a) est avantageusement réalisé dans un matériau semi-conducteur, de préférence sélectionné parmi Si, Ge, SiGe, un matériau III-V tel que GaN, GaAs, InP.
La couche de recouvrement 4 s’étendant sur le substrat donneur 3 prévu lors de l’étape a) peut être réalisée dans un matériau diélectrique, préférentiellement un oxyde. La couche de recouvrement 4 est préférentiellement réalisée en S1O2. A titre d’exemple, la couche de recouvrement 4 peut présenter une épaisseur comprise entre quelques nm et quelques microns. La couche de recouvrement 4 présente préférentiellement une épaisseur comprise entre 10 nm et 200 nm. Lorsque le substrat donneur 3 est réalisé en silicium, la couche de recouvrement 4 en S1O2 est préférentiellement formée lors de l’étape a2) par oxydation thermique. L’oxydation thermique peut être humide (i.e. en présence de vapeur d’eau) ou sèche (i.e. en présence de dioxygène). Le gaz oxydant peut également comporter un gaz additionnel sélectionné parmi N2, Ar, HCl. Toutefois, la couche de recouvrement 4 peut être formée lors de l’étape a2) par d’autres techniques telles que l’oxydation radicalaire, l’oxydation par plasma ou encore le dépôt chimique en phase vapeur (CVD pour « Chemical Vapor Déposition» en langue anglaise).
La couche de recouvrement 4 s’étendant sur la première surface 30 du substrat donneur 3 assure la fonction d’oxyde enterré (BOX pour « Burried OXide » en langue anglaise) dans le cas de la fabrication d’un substrat de type SOI.
A titre de variante, la couche de recouvrement 4 s’étendant sur le substrat donneur 3 prévu lors de l’étape a) peut être réalisée dans un matériau métallique, préférentiellement sélectionné parmi Cu, Ti, W, Ni, Ag.
Substrat support
Le substrat support 2 comprend :
- une première surface 20 et une seconde surface 21 opposée ;
- des bords latéraux 22 reliant les première et seconde surfaces 20, 21.
Le substrat support 2 peut comporter une couche de recouvrement 5 s’étendant sur les première et seconde surfaces 20, 21 et sur les bords latéraux 22. La couche de recouvrement 5 du substrat support 2 peut être réalisée dans un matériau diélectrique, préférentiellement un oxyde. La couche de recouvrement 5 du substrat support 2 peut être réalisée dans un matériau métallique, de préférence sélectionné parmi Cu, Ti, W, Ni, Ag.
Selon un mode de mise en œuvre, la couche de recouvrement 5 du substrat support 2 et la couche de recouvrement 4 du substrat donneur 3 sont réalisées dans un même matériau. La couche de recouvrement 5 du substrat support 2 présente alors avantageusement une épaisseur strictement supérieure à l’épaisseur de la couche de recouvrement 4 du substrat donneur 3.
Selon une variante de mise en œuvre, la couche de recouvrement 5 du substrat support 2 et la couche de recouvrement 4 du substrat donneur 3 sont réalisées dans des matériaux différents, et de préférence possédant des vitesses de gravure très différentes (un facteur d’au moins 5, préférentiellement d’au moins 10, plus préférentiellement d’au moins 20).
Par ailleurs, la couche de recouvrement 5 du substrat support 2 et le substrat donneur 3 sont avantageusement réalisés dans des matériaux différents, et de préférence possédant des vitesses de gravure très différentes (un facteur d’au moins 5, préférentiellement d’au moins 10, plus préférentiellement d’au moins 20).
Etape a-ι) d’implantation
L’étape ai) est illustrée aux figures lb et 2b. Les espèces gazeuses implantées lors de l’étape ai) comportent préférentiellement des atomes d’hydrogène ionisé et/ou des atomes d’hélium ionisé.
Il est également possible d’effectuer une co-implantation avec d’autres espèces gazeuses ou encore d’effectuer une multi-implantation des mêmes espèces gazeuses.
Les étapes ai) et az) peuvent être interverties selon la nature de la couche de recouvrement 4 du substrat donneur 3.
Lorsque la couche de recouvrement 4 du substrat donneur 3 est réalisée dans un matériau diélectrique, l’étape a2) peut être exécutée avant l’étape ai). Dans ce cas, l’étape ai) est exécutée en implantant les espèces gazeuses dans le substrat donneur 3, à travers la couche de recouvrement 4 s’étendant sur la première surface 30 du substrat donneur 3.
Lorsque la couche de recouvrement 4 du substrat donneur 3 est réalisée dans un matériau métallique, l’étape ai) est exécutée avant l’étape a2). Dans ce cas, l’étape ai) est exécutée en implantant les espèces gazeuses dans le substrat donneur 3, à travers la première surface 30 du substrat donneur 3, la première surface 30 du substrat donneur 3 pouvant être revêtue par exemple d’une couche d’oxyde. La couche d’oxyde est alors retirée avant l’exécution de l’étape a2).
Etape b) de collage
Lorsque le substrat support 2 comporte la couche de recouvrement 5, l’étape b) est exécutée de sorte que l’adhésion directe s’opère entre la couche de recouvrement 4 s’étendant sur la première surface 30 du substrat donneur 3 et la couche de recouvrement 5 s’étendant sur la première surface 20 du substrat support 2.
A titre d’exemple non limitatif, l’étape b) peut être exécutée sous vide poussé tel qu’un vide secondaire inférieur à 10 2 mbar.
Lorsque la couche de recouvrement 4 du substrat donneur 3 et la couche de recouvrement 5 du substrat support 2 sont réalisées dans un matériau métallique, le collage exécuté lors de l’étape b) peut être un collage assisté par thermocompression. Le budget thermique de l’étape b) est adapté pour ne pas initier la fracture du substrat donneur 3 suivant la zone de fragilisation ZS.
Etape c) de gravure
L’étape c) peut être exécutée en voie humide ou en voie sèche. Avantageusement, l’étape c) est exécutée :
- par gravure isotrope en voie humide (e.g. acide fluorhydrique HF, oxyde gravant tamponné BOE pour « Buffered Oxide Etching » en langue anglaise),
- par gravure peu anisotrope en voie sèche (e.g. plasma réactif basse pression, attaque chimique gazeuse).
A titre d’exemples non limitatifs, lorsque la couche de recouvrement 4 du substrat donneur 3 est réalisée en S1O2, l’étape c) peut être exécutée par un plasma avec un gaz réactif choisi parmi CHF3, SiCl4, un mélange de CF4 et de H2, un mélange de CF4 et de O2.
A titre d’exemple, lorsque la couche de recouvrement 4 du substrat donneur 3 est réalisée en cuivre, l’étape c) peut être exécutée à l’aide d’une solution HNO3 : H2O2 : H2O. A titre d’exemple, lorsque la couche de recouvrement 4 du substrat donneur 3 est réalisée en tungstène, l’étape c) peut être exécutée à l’aide d’une solution HF : HNO3. A titre d’exemple, lorsque la couche de recouvrement 4 du substrat donneur 3 est réalisée en titane, l’étape c) peut être exécutée à l’aide d’une solution H2O : HF : H2O2. A titre d’exemple, lorsque la couche de recouvrement 4 du substrat donneur 3 est réalisée en argent, l’étape c) peut être exécutée à l’aide d’une solution NH4OH, H2O2.
Lorsque la couche de recouvrement 5 du substrat support 2 et la couche de recouvrement 4 du substrat donneur 3 sont réalisées dans un même matériau, et lorsque la couche de recouvrement 5 du substrat support 2 présente une épaisseur strictement supérieure à l’épaisseur de la couche de recouvrement 4 du substrat donneur 3, l’étape c) est avantageusement exécutée de manière à conserver une partie 5a de la couche de recouvrement 5 s’étendant sur la seconde surface 21 et sur les bords latéraux 22 du substrat support 2. Le temps de gravure de l’étape c) sera choisi à cet effet.
Lorsque la couche de recouvrement 5 du substrat support 2 et la couche de recouvrement 4 du substrat donneur 3 sont réalisés dans des matériaux différents, l’étape c) est avantageusement exécutée par une gravure sélective de la couche de recouvrement 4 du substrat donneur 3 par rapport à la couche de recouvrement 5 du substrat support 2.
Etape d) de gravure
L’étape d) peut être exécutée en voie humide ou en voie sèche. Avantageusement, l’étape d) est exécutée :
- par gravure isotrope en voie humide (e.g. hydroxyde de tétraméthylammonium TMAH, une solution d’acide nitrique et d’acide fluorhydrique HF),
- par gravure peu anisotrope en voie sèche (e.g. plasma réactif basse pression avec le tétrafluorure de carbone CF4 comme gaz réactif).
A titre d’exemples non limitatifs, lorsque le substrat donneur 3 est réalisé en silicium, l’étape d) peut être exécutée par un plasma avec un gaz réactif choisi parmi SF6, HF, CFCI3, un mélange de CF4 et de O2.
A titre d’exemples non limitatifs, lorsque le substrat donneur 3 est réalisé en germanium, l’étape d) peut être exécutée à l’aide d’une solution SCI (mélange de NH4OH et de H2O2) ou d’une solution SC2 (mélange de HCl et de H2O2).
A titre d’exemples non limitatifs, lorsque le substrat donneur 3 est réalisé en Sii_xGex, l’étape d) peut être exécutée à l’aide :
- d’une solution de TMAH lorsque x<30%,
- d’une solution SCI ou SC2 lorsque x>50%,
- d’une solution SCI lorsque 30%<x<50%.
A titre d’exemples non limitatifs, lorsque le substrat donneur 3 est réalisé dans un matériau III-V, l’étape d) peut être exécutée à l’aide :
- d’une solution de HCl pour InP,
- d’une solution comportant du H2O2 pour le GaAs.
Lorsque le substrat donneur 3 et la couche de recouvrement 5 du substrat support 2 sont réalisés dans des matériaux différents, alors l’étape d) est avantageusement exécutée par une gravure sélective du substrat donneur 3 par rapport à la couche de recouvrement 5 du substrat support 2. A cet effet, bien entendu, le matériau de la couche de recouvrement 5 du substrat support 2 est choisi par rapport au matériau du substrat donneur 3 de manière à autoriser une gravure sélective.
Etape e) de fracture
L’étape e) de fracture (« splitting» en langue anglaise) est avantageusement exécutée par un traitement thermique selon un budget thermique adapté.
Pour obtenir la fracture par traitement thermique, il est nécessaire d’appliquer un budget thermique dit de fracture. Par « budget thermique de fracture », on entend le budget thermique total à appliquer après implantation pour obtenir la fracture à l’issue de l’étape e). On peut définir un pourcentage du budget thermique de fracture. Le budget thermique de fracture peut être décrit par une loi de type Arrhenius permettant de relier le temps de la fracture (noté t) à la température du traitement thermique (notée T, en I<) :
où :
- A est une constante,
- Ea est une constante correspondant à l’énergie d’activation du mécanisme impliqué dans le transfert,
- k est la constante de Boltzmann.
Ea peut être déterminée expérimentalement à partir de 2 points de fonctionnement : il s’agit de la pente de la droite log(t) en fonction de 1/kT.
Ea étant connue, on détermine facilement pour une température Ti donnée, le temps ti nécessaire à l’obtention de la fracture. Par convention, on dira que le pourcentage du budget thermique utilisé correspond au pourcentage du temps ti passé à la température Ti. Ainsi, par exemple, pour rester à moins de 10% du budget thermique de fracture, on choisira une durée t inférieure à ti/10 pour un traitement thermique à une température Ti.
Traitement de surface
Le procédé comporte avantageusement une étape ap consistant à appliquer un traitement de surface de la couche de recouvrement 4 s’étendant sur le substrat donneur 3. L’étape ap est exécutée après l’étape ai) et avant l’étape b) de façon à autoriser ou favoriser le collage direct ultérieur. A titre d’exemples non limitatifs, l’étape ap peut être exécutée par un traitement plasma ou par pulvérisation par faisceau d’ions (IBS pour « Ion Heam Sputtering » en langue anglaise).
De la même façon, le procédé comporte avantageusement une étape a^ consistant à appliquer un traitement de surface au substrat support 2 ou, le cas échéant, à la couche de recouvrement 5 s’étendant sur le substrat support 2. L’étape a^ est exécutée avant l’étape b). A titre d’exemples non limitatifs, l’étape ap peut être exécutée par un traitement plasma ou par pulvérisation par faisceau d’ions (IBS pour « Ion Heam Sputtering» en langue anglaise).
Renforcement de l’interface de collage
Le procédé comporte avantageusement une étape bi) consistant à appliquer un traitement thermique à l’assemblage obtenu lors de l’étape b) selon un budget thermique adapté pour renforcer l’adhésion directe sans initier la fracture du substrat donneur 3 suivant la zone de fragilisation ZS. L’étape ci) est exécutée avant l’étape c).
Le budget thermique de l’étape ci) est avantageusement choisi afin de ne pas dépasser 10% du budget thermique de fracture.
Variante
Un objet de l’invention est un procédé de transfert d’une couche utile 1 sur un substrat support 2, le substrat support 2 comprenant :
- une première surface 20 et une seconde surface 21 opposée ;
- des bords latéraux 22 reliant les première et seconde surfaces 20, 21 ;
- une couche de recouvrement 5 s’étendant sur les première et secondes surfaces 20, 21 et sur les bords latéraux 22 ;
le procédé comportant les étapes successives :
a) prévoir un substrat donneur 3, comprenant :
- une première surface 30 et une seconde surface 31 opposée ;
- des bords latéraux 32 reliant les première et seconde surfaces 30, 31 ;
- une zone de fragilisation ZS présentant un contour, la couche utile 1 étant délimitée par la zone de fragilisation ZS et par la première surface 30 du substrat donneur 3 ;
b) assembler le substrat donneur 3 au substrat support 2 par une adhésion directe entre la première surface 30 du substrat donneur 3 et la couche de recouvrement 5 s’étendant sur la première surface 20 du substrat support 2, et suivant une surface de contact SC présentant un contour inscrit dans le contour de la zone de fragilisation ZS ;
c) graver la couche de recouvrement 5 s’étendant sur la seconde surface 21 et sur les bords latéraux 22 du substrat support 2 ;
d) graver la seconde surface 31 et les bords latéraux 32 du substrat donneur 3 jusqu’à ce que le contour de la zone de fragilisation ZS coïncide avec le contour de la surface de contact SC ;
e) fracturer le substrat donneur 3 suivant la zone de fragilisation ZS de manière à exposer la couche utile 1.
Les caractéristiques techniques décrites ci-avant pour les étapes a) à e) s’appliquent pour cet objet. La réduction du contour de la zone de fragilisation ZS est effectuée après l’étape b) de collage de sorte que le substrat donneur 3 (et non le substrat support 2) peut être utilisé comme masque de gravure.
Exemple de réalisation n°1
Le substrat donneur 3 prévu lors de l’étape a) est un substrat de silicium d’un diamètre de 200 mm. La couche de recouvrement 4 s’étendant sur les première et seconde surfaces 30, 31 et sur les bords latéraux 32 du substrat donneur 3 est réalisée en S1O2, présente une épaisseur de 10 nm, et est formée par oxydation thermique sèche sous une atmosphère comportant du dioxygène O2 et de l’acide chlorhydrique HCl. L’oxydation thermique est exécutée à 900°C pendant 7 minutes.
Le substrat support 2 est un substrat de silicium d’un diamètre de 200 mm.
L’étape ai) est exécutée avec des atomes d’hydrogène ionisé comme espèces gazeuses, et selon les paramètres suivants :
- une énergie de 85 keV,
- une dose de 5xl016at. cm2,
- une profondeur d’implantation de l’ordre de 0,8 pm.
Les étapes af) et a^ sont exécutées par des cycles à l’aide des solutions suivantes :
- acide sulfurique / peroxyde d’hydrogène (H2SO4 : H2O2 :H2O),
- ammoniaque / peroxyde d’hydrogène (NH4OH : H2O2 :H2O),
- acide chlorhydrique / peroxyde d’hydrogène (HCl : H2O2 :H2O)
- eau déionisée.
Les étapes af) et a4) comportent une étape d’activation de surface par plasma sous atmosphère d’azote.
L’étape b) est exécutée sous atmosphère de salle blanche à température ambiante.
L’étape bi) est exécutée à 300°C pendant 120 minutes, sans générer la fracture du substrat donneur 3 suivant la zone de fragilisation ZS.
L’étape c) est exécutée par gravure isotrope à l’aide d’une solution d’acide fluorhydrique HF. La solution de HF est diluée dans de l’eau déionisée de sorte que la vitesse d’attaque est de l’ordre de 6 nm/min. A titre de variante, l’étape c) peut être exécutée à l’aide d’une solution de type HF : NH4F. L’étape c) s’accompagne de la gravure de l’oxyde formé sur le substrat support 2 par le traitement de surface exécuté lors de l’étape a4).
L’étape d) est exécutée sur une épaisseur supérieure à la profondeur d’implantation, en l’espèce supérieure à 0,8 pm, par exemple 1,1 pm. L’étape d) peut être exécutée à l’aide d’une solution dite FNPS (i.e. HF : HNO3 : H3PO4 :H2SO4). La vitesse d’attaque peut atteindre 20 pm /min à température ambiante. A titre de variante, l’étape d) peut être exécutée à l’aide d’une solution d’hydroxyde de tétraméthylammonium TMAH ou encore à l’aide d’une solution de type HF : HNO3.
En l’absence d’étape bi), l’étape e) serait exécutée à 400°C pendant 5 heures (ci-après le budget thermique total). Lorsque l’étape bi) est exécutée, le budget thermique de l’étape e) est choisi pour compléter le budget thermique de l’étape bi) de manière à obtenir le budget thermique total.
Exemple de réalisation n°2
L’exemple de réalisation n°2 diffère de l’exemple de réalisation n°l en ce que :
- la couche de recouvrement 4 s’étendant sur les première et seconde surfaces 30, 31 et sur les bords latéraux 32 du substrat donneur 3 présente une épaisseur de 150 nm, et est formée par oxydation thermique humide sous une atmosphère comportant de la vapeur d’eau ; l’oxydation thermique est exécutée à 950°C pendant 35 minutes ;
- l’étape c) est exécutée à l’aide d’une solution d’acide fluorhydrique HF, diluée dans de l’eau déionisée de sorte que la vitesse d’attaque est de l’ordre de 60 nm/min ;
- l’étape d) est exécutée sur une épaisseur supérieure à la profondeur d’implantation diminuée de l’épaisseur de la couche de recouvrement 4, en l’espèce supérieure à 0,65 pm, par exemple 0,8 pm.
Exemple de réalisation n°3
L’exemple de réalisation n°3 diffère de l’exemple de réalisation n°l en ce que :
- le substrat support 2 comporte une couche de recouvrement 5, réalisée en S1O2, d’une épaisseur de 150 nm, s’étendant sur les première et seconde surfaces 20, 21 et sur les bords latéraux 22 du substrat support 2 ; ladite couche de recouvrement 5 étant formée par oxydation thermique humide sous une atmosphère comportant de la vapeur d’eau ; l’oxydation thermique est exécutée à 950°C pendant 35 minutes ;
- l’étape c) s’accompagne de la gravure partielle de la couche de recouvrement 5 (retrait de 10 nm) ; la couche de recouvrement 5 du substrat support 2 présente donc une épaisseur de 140 nm à l’issue de l’étape c) ;
- l’étape d) est une gravure sélective attaquant uniquement le substrat donneur 3, par exemple exécutée à l’aide d’une solution FNPS à température ambiante.
Exemple de réalisation n°4
L’exemple de réalisation n°4 diffère de l’exemple de réalisation n°l en ce que l’étape bi) est exécutée à 300°C pendant 10 heures, sans générer la fracture du substrat donneur 3 suivant la zone de fragilisation ZS.
Exemple de réalisation n°5
L’exemple de réalisation n°5 diffère de l’exemple de réalisation n°l en ce que :
- l’étape ai) est exécutée avec une dose de 6xl016at. cm2 ;
- le budget thermique total de l’étape e) est 400°C pendant 3h ; le budget thermique de l’étape e) est choisi pour compléter le budget thermique de l’étape bi) de manière à obtenir le budget thermique total.
Exemple de réalisation n°6
L’exemple de réalisation n°6 diffère de l’exemple de réalisation n°l en ce que :
- l’étape ai) est exécutée avec une énergie de 30 keV et une profondeur d’implantation de de l’ordre de 0,28 pm ;
- l’étape d) est exécutée sur une épaisseur supérieure à la profondeur d’implantation, en l’espèce supérieure à 0,28 pm, par exemple 0,5 pm ;
- le budget thermique total de l’étape e) est 400°C pendant 3hl5.
Exemple de réalisation n°7
L’exemple de réalisation n°7 diffère de l’exemple de réalisation n°l en ce que :
- la couche en S1O2 du substrat donneur 3 est retirée après l’étape ai) d’implantation à l’aide d’une solution de HF ; la couche en S1O2 avait un rôle de protection de la première surface 30 du substrat donneur 3 lors de l’exécution de l’étape ai) ;
- une couche de recouvrement 4, réalisée en cuivre, est ensuite déposée lors de l’étape az) sur les première et seconde surfaces 30, 31 et sur les bords latéraux 32 du substrat donneur 3, par exemple par CVD, avec une épaisseur de 0,8 pm ;
- l’étape ad) est exécutée par polissage mécano-chimique pour la rendre peu rugueuse et autoriser une étape b) de collage direct ;
- l’étape bi) est exécutée à 300°C pendant 2 heures ;
- le cuivre est gravé lors de l’étape c) à partir d’une solution HNO3 : H2O2 : H2O.
L’invention ne se limite pas aux modes de réalisation exposés. L’homme du métier est mis à même de considérer leurs combinaisons techniquement opérantes, et de leur substituer des équivalents.
Claims (13)
- REVENDICATIONS1. Procédé de transfert d’une couche utile (1) sur un substrat support (2), comportant les étapes successives :a) prévoir un substrat donneur (3), comprenant :- une première surface (30) et une seconde surface (31) opposée ;- des bords latéraux (32) reliant les première et seconde surfaces (30, 31) ;- une couche de recouvrement (4) s’étendant sur les première et seconde surfaces (30, 31) et sur les bords latéraux (32) ;- une zone de fragilisation (ZS) présentant un contour, la couche utile (1) étant délimitée par la zone de fragilisation (ZS) et par la première surface (30) du substrat donneur (3) ;b) assembler le substrat donneur (3) au substrat support (2) par une adhésion directe avec la couche de recouvrement (4) s’étendant sur la première surface (30) du substrat donneur (3), et suivant une surface de contact (SC) présentant un contour inscrit dans le contour de la zone de fragilisation (ZS) ;c) graver la couche de recouvrement (4) s’étendant sur la seconde surface (31) et sur les bords latéraux (32) du substrat donneur (3) ;d) graver la seconde surface (31) et les bords latéraux (32) du substrat donneur (3) jusqu’à ce que le contour de la zone de fragilisation (ZS) coïncide avec le contour de la surface de contact (SC) ;e) fracturer le substrat donneur (3) suivant la zone de fragilisation (ZS) de manière à exposer la couche utile (1).
- 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le substrat support (2) comprend :- une première surface (20) et une seconde surface (21) opposée ;- des bords latéraux (22) reliant les première et seconde surfaces (20, 21) ;- une couche de recouvrement (5) s’étendant sur les première et seconde surfaces (20, 21) et sur les bords latéraux (22) ;et dans lequel l’étape b) est exécutée de sorte que l’adhésion directe s’opère entre la couche de recouvrement (4) s’étendant sur la première surface (30) du substrat donneur (3) et la couche de recouvrement (5) s’étendant sur la première surface (20) du substrat support (2).
- 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la couche de recouvrement (5) du substrat support (2) et la couche de recouvrement (4) du substrat donneur (3) sont réalisées dans un même matériau ;dans lequel la couche de recouvrement (5) du substrat support (2) présente une épaisseur strictement supérieure à l’épaisseur de la couche de recouvrement (4) du substrat donneur (3);dans lequel l’étape c) est exécutée de manière à conserver une partie (5a) de la couche de recouvrement (5) s’étendant sur la seconde surface (21) et sur les bords latéraux (22) du substrat support (2).
- 4. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la couche de recouvrement (5) du substrat support (2) et la couche de recouvrement (4) du substrat donneur (3) sont réalisées dans des matériaux différents ;et dans lequel l’étape c) est exécutée par une gravure sélective de la couche de recouvrement (4) du substrat donneur (3) par rapport à la couche de recouvrement (5) du substrat support (2).
- 5. Procédé selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel le substrat donneur (3) et la couche de recouvrement (5) du substrat support (2) sont réalisés dans des matériaux différents ;et dans lequel l’étape d) est exécutée par une gravure sélective du substrat donneur (3) par rapport à la couche de recouvrement (5) du substrat support (2).
- 6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel l’étape c) et l’étape d) sont exécutées en voie humide ou en voie sèche.
- 7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel le substrat donneur (3) prévu lors de l’étape a) est réalisé dans un matériau semi-conducteur, de préférence sélectionné parmi Si, Ge, SiGe, un matériau III-V tel que GaN, GaAs, InP.
- 8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel la couche de recouvrement (4) s’étendant sur le substrat donneur (3) prévu lors de l’étape a) est réalisée dans un matériau diélectrique, de préférence S1O2., ou dans un matériau métallique, de préférence sélectionné parmi Cu, Ti, W, Ni, Ag.
- 9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel l’étape a) comporte les étapes : ao) prévoir le substrat donneur (3) comprenant :- la première surface (30) et la seconde surface (31) opposée ;- les bords latéraux (32) reliant les première et seconde surfaces (30, 31) ;ai) implanter des espèces gazeuses dans le substrat donneur (3), à travers la première surface (30) du substrat donneur (3), de manière à former la zone de fragilisation (ZS), les espèces gazeuses comportant de préférence des atomes d’hydrogène ionisé ;a2) former la couche de recouvrement (4) s’étendant sur les première et seconde surfaces (30, 31) et sur les bords latéraux (32) du substrat donneur (3).
- 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l’étape a) comporte une étape a^) consistant à appliquer un traitement de surface de la couche de recouvrement (4) s’étendant sur le substrat donneur (3) ; l’étape al) étant exécutée après l’étape ai) et avant l’étape b).
- 11. Procédé selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel l’étape e) est exécutée par un traitement thermique.
- 12. Procédé selon l’une des revendications 1 à 11, comportant une étape bi) consistant à appliquer un traitement thermique à l’assemblage obtenu lors de l’étape b) selon un budget thermique adapté pour renforcer l’adhésion directe sans initier la fracture du substrat donneur (3) suivant la zone de fragilisation (ZS) ; l’étape bi) étant exécutée avant l’étape c).
- 13. Procédé de transfert d’une couche utile (1) sur un substrat support (2), le substrat support (2) comprenant :- une première surface (20) et une seconde surface (21) opposée ;- des bords latéraux (22) reliant les première et seconde surfaces (20, 21) ;- une couche de recouvrement (5) s’étendant sur les première et seconde surfaces (20, 21) et sur les bords latéraux (22) ;le procédé comportant les étapes successives :a) prévoir un substrat donneur (3), comprenant :- une première surface (30) et une seconde surface (31) opposée ;- des bords latéraux (32) reliant les première et seconde surfaces (30, 31) ;- une zone de fragilisation (ZS) présentant un contour, la couche utile (1) étant délimitée par la zone de fragilisation (ZS) et par la première surface (30) du substrat donneur (3) ;b) assembler le substrat donneur (3) au substrat support (2) par une adhésion directe entre la première surface (30) du substrat donneur (3) et la couche de recouvrement (5) s’étendant sur la première surface (20) du substrat support (2), et suivant une surface de contact (SC) présentant un contour inscrit dans le contour de la zone de fragilisation (ZS) ;c) graver la couche de recouvrement (5) s’étendant sur la seconde surface (21) et sur les bords latéraux (22) du substrat support (2) ;d) graver la seconde surface (31) et les bords latéraux (32) du substrat donneur (3) jusqu’à ce que le contour de la zone de fragilisation (ZS) coïncide avec le contour de la surface de5 contact (SC) ;e) fracturer le substrat donneur (3) suivant la zone de fragilisation (ZS) de manière à exposer la couche utile (1).
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Citations (5)
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| EP2246882A1 (fr) * | 2009-04-29 | 2010-11-03 | S.O.I. TEC Silicon | Procédé de transfert d'une couche à partir d'un substrat donneur sur un substrat lié |
| JP2011071193A (ja) * | 2009-09-24 | 2011-04-07 | Sumco Corp | 貼合せｓｏｉウェーハ及びその製造方法 |
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2017
- 2017-12-28 FR FR1763338A patent/FR3076393A1/fr not_active Withdrawn
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