FR3116943A1 - Substrat donneur pour le transfert d’une couche mince et procede de transfert associe - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un substrat donneur (100) pour le transfert d’une couche mince monocristalline (1) en un premier matériau, sur un substrat receveur (2), le substrat donneur (100) présentant une face avant (100a) et une face arrière (100b), et comprenant :- un plan fragile enterré (30) qui délimite une portion supérieure (101) et une portion inférieure (102) du substrat donneur (100), - dans la portion supérieure (101), une première couche (10) du côté de la face avant (100a), une deuxième couche (20) adjacente au plan fragile enterré (30), et une couche d’arrêt (15) intercalée entre la première couche (10) et la deuxième couche (20), la première couche (10) étant composée du premier matériau, la couche d’arrêt (15) étant formée en un deuxième matériau apte à procurer une gravure sélective par rapport au premier matériau,- une sous-portion amorphisée (101’,101’’,101’’’), rendue amorphe par implantation ionique, présentant une épaisseur strictement inférieure à celle de la portion supérieure (101), et incluant au moins la première couche (10) ; la deuxième couche (20) comprenant au moins une sous-couche (22) monocristalline, adjacente au plan fragile enterré (30). L’invention concerne également deux modes de mise en œuvre d’un procédé de transfert d’une couche mince monocristalline (1) à partir du substrat donneur (100). Pas de Figur e

Description

SUBSTRAT DONNEUR POUR LE TRANSFERT D’UNE COUCHE MINCE ET PROCEDE DE TRANSFERT ASSOCIE
DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention vise le domaine des semi-conducteurs et de la microélectronique. Elle concerne un substrat donneur adapté pour le transfert d’une couche mince sur un substrat receveur, et en particulier, un transfert à basses températures sur un substrat receveur comportant des composants électroniques finis ou partiellement finis. L’invention concerne également un procédé de transfert utilisant ledit substrat donneur.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
L’intégration de circuits en trois dimensions (3D) connaît un fort développement depuis plusieurs années, car elle permet d’associer différentes fonctions tout en minimisant l’encombrement du système. L’intégration 3D repose sur l’empilement vertical de couches de dispositifs électroniques. Un tel empilement nécessite la formation de couches de matériaux cristallins au-dessus de couches de dispositifs existants. Ces dernières ne sont ni homogènes, ni cristallines empêchant le recours aux techniques classiques de croissance de couches minces cristallines, telle l’épitaxie. Il est également requis de demeurer à basses températures car les couches de dispositifs déjà fabriquées, qui peuvent notamment inclure des niveaux de métallisation, présentent une tenue à la température souvent limitée.
L’intégration 3D met ainsi préférentiellement en œuvre les techniques de transfert de couches minces, depuis un substrat donneur vers le substrat receveur, lequel peut comprendre une ou plusieurs couches de dispositifs.
Plusieurs procédés connus de transfert de couche sont basés sur l’assemblage par collage direct du substrat donneur (duquel sera issue la couche mince cristalline souhaitée) sur le substrat receveur. Le substrat donneur subit ensuite une étape d’amincissement, à l’issue de laquelle la couche mince est formée. Cette étape d’amincissement peut être faite à partir des différentes techniques connues de l’art antérieur, notamment :
  • le procédé Smart CutTM, particulièrement adapté à la formation de couches très fines (typiquement d’épaisseur comprise entre quelques nanomètres et 1 micron) : il est basé sur une implantation d’espèces gazeuses dans le substrat donneur, au niveau de sa face à assembler, préalablement à l’étape d’assemblage, pour former un plan fragile enterré; après assemblage, au cours d’une étape de fracture, le substrat donneur se sépare le long du plan fragilisé, pour ne laisser solidaire du substrat receveur que la couche mince ;
  • les procédés d’amincissement mécano-chimiques, incluant le rodage mécanique, le polissage mécano-chimique et la gravure chimique, surtout adaptés à la formation de couches d’épaisseurs comprises entre quelques microns et quelques dizaines, voire centaines de microns.
Bien sûr, les techniques citées ci-dessus ne sont pas exhaustives et d’autres techniques connues peuvent être utilisées pour l’amincissement du substrat donneur.
Comme énoncé, le procédé Smart CutTMest particulièrement adapté à la formation de couches très minces. Et après transfert, il est nécessaire de réaliser plusieurs opérations pour rendre la couche transférée utilisable pour fabriquer des dispositifs électroniques : une guérison des défauts d’implantation, un lissage de la surface fracturée, un amincissement de cette même couche et une fermeture de l’interface de collage. Ces opérations sont habituellement réalisées à haute température, en particulier dans le cadre de la fabrication de structures SOI (Silicium sur Isolant). Dans le cas qui nous intéresse, l’intégration 3D, elles doivent être effectuées à basses températures afin de ne pas endommager la couche de dispositifs sous-jacente.
Le document FR2978603 propose une solution facilitant la guérison des défauts d’implantation à basses températures.
OBJET DE L’INVENTION
La présente invention vise à améliorer l’état de la technique, en proposant un substrat donneur spécialement adapté pour le transfert d’une couche monocristalline de haute qualité sur un substrat receveur, tout particulièrement dans le cas où ledit substrat receveur n’est pas compatible avec de hautes températures du fait de la présence de dispositifs électroniques. L’invention concerne également un procédé de transfert d’une couche mince sur un substrat receveur, à partir dudit substrat donneur.
BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION
La présente invention concerne un substrat donneur pour le transfert d’une couche mince monocristalline en un premier matériau, sur un substrat receveur, le substrat donneur présentant une face avant et une face arrière, et comprenant :
- un plan fragile enterré qui délimite une portion supérieure et une portion inférieure du substrat donneur,
- dans la portion supérieure, une première couche du côté de la face avant, une deuxième couche adjacente au plan fragile enterré, et une couche d’arrêt intercalée entre la première couche et la deuxième couche, la première couche étant composée du premier matériau, la couche d’arrêt étant formée en un deuxième matériau apte à procurer une gravure sélective par rapport au premier matériau,
- une sous-portion amorphisée, rendue amorphe par implantation ionique, présentant une épaisseur strictement inférieure à celle de la portion supérieure, et incluant au moins la première couche ; la deuxième couche comprenant au moins une sous-couche monocristalline, adjacente au plan fragile enterré.
Selon des caractéristiques avantageuses de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison réalisable :
  • la sous-portion amorphisée inclut la couche d’arrêt ;
  • la sous-portion amorphisée inclut une partie de la deuxième couche, adjacente à la couche d’arrêt ;
  • la deuxième couche est composée du premier matériau ;
  • le premier matériau est choisi parmi le silicium, le germanium ou un alliage silicium/germanium ;
  • le deuxième matériau est choisi parmi le silicium germanium ou le silicium fortement dopé ;
  • la première couche présente une épaisseur comprise entre 5 et 500 nm ;
  • la couche d’arrêt présente une épaisseur comprise entre 2 et 100 nm ;
  • la deuxième couche présente une épaisseur comprise entre 50 et 1000 nm ;
  • le substrat donneur comprend une couche de collage en silicium amorphe disposée sur la première couche ;
  • la couche de collage présente une épaisseur comprise entre 2 et 20 nm ;
  • le substrat donneur comprend une couche intermédiaire en oxyde de silicium, interposée entre la première couche et la couche de collage ;
  • la couche intermédiaire présente une épaisseur comprise entre 10 et 200 nm.
L’invention concerne également un procédé de transfert d’une couche mince monocristalline en un premier matériau, sur un substrat receveur.
Selon un premier mode de mise en œuvre, le procédé de transfert comprend les étapes suivantes :
a) la fourniture d’un substrat donneur tel que ci-dessus,
b) la fourniture d’un substrat receveur,
c) l’assemblage par collage direct de la face avant du substrat donneur sur le substrat receveur,
d) la séparation le long du plan fragile enterré pour transférer la portion supérieure du substrat donneur sur le substrat receveur,
e) la recristallisation de la sous-portion amorphisée, pour restaurer une qualité monocristalline à la première couche, laquelle forme alors la couche mince monocristalline,
f) la gravure chimique de la deuxième couche, puis la gravure chimique de la couche d’arrêt sélectivement vis-à-vis de la couche mince monocristalline.
Avantageusement, l’étape e) de recristallisation comprend un traitement thermique à une température comprise entre 450°C et 900°C, préférentiellement comprise entre 450°C et 550°C.
Selon un deuxième mode de mise en œuvre, le procédé de transfert comprend les étapes suivantes :
a) la fourniture d’un substrat donneur tel que ci-dessus,
a’) la recristallisation locale de la sous-portion amorphisée pour restaurer une qualité monocristalline à la première couche, sans affecter le plan fragile enterré, la première couche recristallisée formant la couche mince monocristalline,
b) la fourniture d’un substrat receveur,
c) l’assemblage par collage direct de la face avant du substrat donneur sur le substrat receveur,
d) la séparation le long du plan fragile enterré pour transférer la portion supérieure du substrat donneur sur le substrat receveur,
f) la gravure chimique de la deuxième couche, puis la gravure chimique de la couche d’arrêt sélectivement vis-à-vis de la couche mince monocristalline.
Avantageusement, l’étape a’) de recristallisation comprend un traitement thermique par laser, appliqué au niveau de la face avant du substrat donneur et configuré pour induire une épitaxie en phase solide de la sous-portion amorphisée.
Selon des caractéristiques avantageuses du procédé de transfert selon le premier ou le deuxième mode de mise en œuvre de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison réalisable :
  • l’étape d) de séparation comprend un traitement thermique à une température inférieure ou égale à 400°C, préférentiellement à une température comprise entre 250°C et 400°C ;
  • l’étape a) de fourniture du substrat donneur comprend une implantation d’ions dans la portion supérieure dudit substrat, initialement de qualité monocristalline, pour former la sous-portion amorphisée ;
  • à l’étape f), la gravure chimique de la deuxième couche est sélective par rapport à la couche d’arrêt.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles :
Les figures 1, 2 et 3 présentent un substrat donneur selon trois variantes conformes à l’invention ;
Les figures 4 et 5 présentent un substrat donneur selon un mode de réalisation et une variante de ce mode de réalisation, conformes à l’invention ;
La présente des étapes de fabrication d’un substrat donneur conforme à l’invention ;
Les figures 7 et 8 présentent des étapes d’un procédé de transfert d’une couche mince monocristalline sur un substrat receveur, selon un premier mode de mise en œuvre de l’invention ;
La présente des variantes de structures issues du procédé de transfert conforme à l’invention ;
Les figures 10 et 11 présentent des étapes d’un deuxième mode de mise en œuvre du procédé de transfert d’une couche mince monocristalline sur un substrat receveur, conforme à l’invention.
Les figures sont des représentations schématiques qui, dans un objectif de lisibilité, ne sont pas à l’échelle. En particulier, les épaisseurs des couches selon l’axe z ne sont pas à l’échelle par rapport aux dimensions latérales selon les axes x et y. Les mêmes références sur les figures pourront être utilisées pour des éléments de même nature. Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation illustrés et/ou détaillés dans la description à suivre) doivent être comprises comme n’étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
L’invention concerne un substrat donneur 100 pour le transfert d’une couche mince monocristalline 1 en un premier matériau, sur un substrat receveur 2. Le premier matériau est avantageusement choisi parmi le silicium, le germanium ou un alliage silicium/ germanium. Dans la suite de la description, lorsque l’on parle de matériau (premier ou deuxième), on ne spécifie pas ses propriétés structurelles et cristallographiques mais uniquement sa nature : par exemple du silicium amorphe, poly-cristallin ou monocristallin constitue un matériau au sens de la présente description.
Le substrat donneur 100 se présente habituellement sous la forme d’une plaquette de diamètre compris entre 150mm et 450mm voire plus, et d’épaisseur typiquement comprise entre 300 et 900 microns. Il présente une face avant 100a et une face arrière 100b comme illustré sur la .
Un plan fragile enterré 30 délimite une portion supérieure 101 et une portion inférieure 102 du substrat donneur 100. Il s’étend parallèlement au plan principal (x,y) de la face avant 100a du substrat donneur 100.
Le plan fragile enterré 30, comme cela est bien connu dans le cadre du procédé Smart CutTM, est formé à partir d’une implantation ionique d’espèces légères, opérée du côté de la face avant 100a du substrat donneur 100. Les espèces implantées sont préférentiellement l’hydrogène, l’hélium ou une combinaison de ces deux espèces. Le plan fragile enterré 30 comprend des nano-fissures sous forme lenticulaire générées par les espèces légères implantées.
Le substrat donneur 100 comprend, dans sa portion supérieure 101, une couche d’arrêt 15 qui s’étend dans un plan parallèle au plan fragile enterré 30. La couche d’arrêt 15 est formée en un deuxième matériau apte à procurer une gravure sélective par rapport au premier matériau. Typiquement, le deuxième matériau est choisi parmi le silicium germanium (SiGe) ou le silicium fortement dopé : le premier est approprié lorsque le premier matériau est en silicium ou en germanium ; le second est approprié lorsque le premier matériau est en silicium, germanium ou silicium/germanium. Dans le cas d’un deuxième matériau en silicium germanium, la proportion en germanium est typiquement comprise entre 10% et 40%. Dans le cas d’un deuxième matériau en silicium dopé, on préfèrera par exemple, un dopage de type P au bore, entre 1E18 B/cm3et 1E20 B/cm3.
La couche d’arrêt 15 est intercalée entre une première couche 10 du côté de la face avant 100a et une deuxième couche 20 adjacente au plan fragile enterré 30. La couche d’arrêt 15 présente typiquement une épaisseur comprise entre 2 et 100 nm.
La première couche 10 et la deuxième couche 20 sont disposées de part et d’autre de la couche d’arrêt 15. La première couche 10 est composée du premier matériau et est destinée à constituer la couche mince monocristalline 1 qui sera transférée sur le substrat receveur 2. Elle peut par exemple présenter une épaisseur comprise entre 5 nm et 500 nm, selon l’épaisseur requise pour la couche mince 1.
La deuxième couche 20 pourra présenter une épaisseur comprise entre 50 et 1000 nm. Il est entendu que la somme des épaisseurs de la première couche 10, de la couche d’arrêt 15 et de la deuxième couche 20 est égale à la profondeur du plan fragile enterré 30.
La deuxième couche 20 peut être composée du premier matériau. De manière préférentielle, le substrat donneur 100 est principalement composé dudit premier matériau dans sa structure monocristalline ; seule la couche d’arrêt 15 est formée dans le deuxième matériau pour assurer une gravure sélective lors du procédé de transfert.
Le substrat donneur 100 comprend en outre une sous-portion amorphisée 101’,101’’,101’’’ dans la portion supérieure 101. Dans le contexte de la présente invention, amorphisée signifie rendue amorphe par implantation ionique ; cela sous-entend que la sous-portion 101’,101’’,101’’’, avant de présenter une structure amorphe, présentait une structure cristalline, et même monocristalline. Nous détaillerons par la suite les types d’ions susceptibles de rendre ainsi amorphe la sous-portion 101’,101’’,101’’’.
Cette sous-portion amorphisée 101’, 101’’, 101’’’ inclut au moins la première couche 10 et s’étend plus ou moins en profondeur, en présentant une épaisseur strictement inférieure à celle de la portion supérieure 101. Cela revient à dire que la deuxième couche 20 comprend au moins une sous-couche 22 monocristalline, adjacente au plan fragile enterré 30.
La sous-portion amorphisée 101’,101’’,101’’’ peut inclure une ou plusieurs des couches précédemment évoquées. Selon une première variante, illustré sur la , la sous-portion amorphisée 101’ ne comprend que la première couche 10. Selon une deuxième variante ( ), la sous-portion 101’’ inclut la couche d’arrêt 15, en plus de la première couche 10. Enfin, selon une troisième variante, illustrée en , la sous-portion amorphisée 101’’’ inclut une partie 21 de la deuxième couche 20, adjacente à la couche d’arrêt 15. Dans toutes les variantes, on retrouve, hors de la sous-portion amorphisée 101’, 101’’, 101’’’, une sous-couche monocristalline 22, partie de la deuxième couche 20, adjacente au plan fragile enterré 30.
Le substrat donneur 100, grâce à la présence d’une sous-portion amorphisée 101’,101’’,101’’’ du côté de la face avant 100a, laquelle est destinée à être assemblée sur le substrat receveur 2, est favorable à un collage direct et à un bon renforcement de l’interface de collage. Une surface amorphisée se déforme mieux lorsque l’on augmente la température et absorbe mieux les couches d’eau de collage, qu’une surface monocristalline. En conséquence, la présence de la sous-portion amorphisée 101’,101’’,101’’’ permet une fermeture de l’interface de collage bien meilleure à plus basse température, comme cela sera indiqué plus loin, en référence au procédé de transfert selon l’invention.
Selon une mode de réalisation particulier, le substrat donneur 100 comprend en plus une couche de collage 50 en silicium amorphe disposée sur la première couche 10 ( ). Une telle couche de collage 50 est préférentiellement formée sur la première couche 10 par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). La couche de collage 50 peut présenter une épaisseur comprise entre 2 et 20 nm.
Selon une variante de ce mode de réalisation, le substrat donneur 100 comprend en outre une couche intermédiaire 40 en oxyde de silicium, interposée entre la première couche 10 et la couche de collage 50 ( ). La couche intermédiaire 40 présente typiquement une épaisseur comprise entre 10 et 200 nm. La présence d’une couche intermédiaire en SiO2 peut être utile pour isoler électriquement la couche mince monocristalline 1 lorsqu’elle sera transférée sur une couche de circuit 2a du substrat receveur 2, à l’issue du procédé de transfert dont la description va suivre.
L’invention concerne un procédé de transfert de la couche mince monocristalline 1 formée du premier matériau, sur un substrat receveur 2.
Le procédé comprend en premier lieu une étape a) de fourniture d’un substrat donneur 100 tel que précité.
Pour cela, on part d’un substrat initial 100’ massif monocristallin composé du premier matériau ou d’un substrat initial 100’ ayant subi une épitaxie pour obtenir une couche (non représentée) monocristalline composée du premier matériau et potentiellement de meilleure qualité du côté de sa face avant 100a.
Sur la face avant 100a du substrat initial 100’, est ensuite formée la couche d’arrêt 15, elle aussi de structure monocristalline ( (a)). Une couche d’arrêt 15 en SiGe peut par exemple être formée par croissance par épitaxie sur le substrat initial 100’. Pour une couche d’arrêt 15 en Si fortement dopé, une implantation ionique de bore peut être opérée dans le substrat initial 100’ si celui-ci est en silicium, pour élaborer ladite couche 15. Alternativement, la couche d’arrêt 100’ en Si fortement dopé peut également être formée par épitaxie. La couche d’arrêt 15 présente typiquement une épaisseur comprise entre 2 et 100 nm.
Une couche superficielle 10 (dite première couche 10) est ensuite formée sur la couche d’arrêt 15, préférentiellement par croissance épitaxiale ( (b)). L’épaisseur est choisie selon l’application visée, étant entendu que cette première couche 10 formera, à l’issue du procédé de transfert selon l’invention, la couche mince monocristalline 1 transférée sur le substrat receveur 2.
Dans le cas d’une couche d’arrêt 15 dont le paramètre de maille est différent de celui de la première couche 10 et/ou du substrat initial 100’, ladite couche d’arrêt 15 présente préférentiellement une épaisseur inférieure à une épaisseur critique (cf publication de JM. Hartmann et al, « Critical thickness for plastic relaxation of SiGe on Si (001) revisited » Journal of Applied Physics 110, 083529 (2011)), par exemple inférieure à 50 nm, pour éviter que la contrainte liée à la différence de paramètres de maille ne dégrade la cristallinité de la première couche 10.
Comme illustré sur la (c), une étape d’amorphisation est ensuite réalisée, à partir de la face avant 100a, sur une sous-portion 101’’’ incluant au moins la première couche 10, et potentiellement la couche d’arrêt 15 et une partie 21 du substrat initial 100’ disposée sous la couche d’arrêt 15 (conformément aux différentes variantes évoquées en référence aux figures 1,2 et 3).
Par amorphisation, on entend une désorganisation du réseau cristallin de la sous-portion 101’,101’’,101’’’, qui rend amorphe cette dernière. L’amorphisation est réalisée par implantation ionique, habituellement à température ambiante ou à une température inférieure, et par exemple à partir d’ions présentant un numéro atomique supérieur ou égal au numéro atomique du premier matériau. A titre d’exemple, les ions pourront être choisis parmi le silicium, le germanium, le xénon et l’argon. Plusieurs implantations successives peuvent être réalisées, à différentes énergies d’implantation, pour amorphiser la sous-portion 101’,101’’,101’’’ sur une plus grande profondeur et/ou plus uniformément en profondeur. Les doses implantées varient typiquement entre 2e14/cm2et 1e16/cm2.
Pour une première couche 10 et une deuxième couche 20 en silicium, et une couche d’arrêt 15 en SiGe, l’amorphisation de la sous-couche 101’’’ peut par exemple est obtenue par implantation de Ge à une dose de 2.5e15 at/cm² avec une énergie de 5 keV, pour une amorphisation sur une profondeur de 15nm. Notons que la plupart des codes de simulation d’implantation ionique procurent les indications permettant d’obtenir l’amorphisation d’une matrice monocristalline, en fonction de la nature de la matrice, de la nature des ions implantés, de l’énergie et de la dose d’implantation.
Enfin, une implantation d’espèces légères, typiquement hydrogène, hélium ou une combinaison des deux, est ensuite opérée à une profondeur supérieure à l’épaisseur de la sous-portion amorphisée 101’,101’’,101’’’ ( (d)). Le plan fragile enterré 30, plus ou moins localisé au niveau du pic d’implantation, est ainsi formé et délimite une portion supérieure 101 et une portion inférieure 102 du substrat donneur 100. Une sous-couche 22 monocristalline est préservée entre la sous-portion 101’’’ amorphisée et le plan fragile enterré 30.
L’énergie d’implantation est définie selon la profondeur visée pour le plan fragile enterré 30 dans le substrat donneur 100 ; elle est typiquement comprise entre quelques keV et 200keV. La dose d’espèces implantées pourra varier entre quelques 1E16/cm2et 1E17/cm2.
Notons que les étapes d’amorphisation et d’implantation d’espèces légères pourraient être effectuées dans l’ordre inverse, à savoir, d’abord l’implantation d’espèces légères puis l’amorphisation.
A l’issue de l’étape a) du procédé selon l’invention, on obtient un substrat donneur 100 conforme à l’une des variantes illustrées sur les figures 1, 2 et 3.
Selon un mode de réalisation particulier, une couche de collage 50 et potentiellement une couche intermédiaire 40 sont formées sur le substrat donneur 100, pour obtenir l’une des variantes illustrées sur les figures 4 et 5.
Ces couches 40,50 sont élaborées par exemple par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et préférentiellement après l’étape d’amorphisation pour éviter que l’implantation ionique d’amorphisation entraine des impuretés depuis ces couches 40,50 dans les couches sous-jacentes (en particulier dans la première couche 10) et rende plus difficile la recristallisation ultérieure. Bien sûr, le dépôt des couches 40,50 doit alors pouvoir être opéré à une température inférieure à la température de recristallisation de la portion amorphisée 101’,101’’,101’’’.
On pourra également choisir de déposer la ou les couches 40,50 avant les étapes d’amorphisation et/ou d’implantation d’espèces légères, lorsque le dépôt requiert des températures susceptibles de modifier la sous-portion amorphisée 101’,101’’,101’’’ et/ou de faire évoluer le plan fragile enterré 30, ce qui n’est pas souhaitable à ce stade du procédé.
Comme cela sera indiqué plus loin, la couche de collage 50, en particulier en silicium amorphe déposé, favorise la qualité de l’interface de collage générée à une étape ultérieure c) d’assemblage.
Le procédé de transfert comprend ensuite une étape b) de fourniture d’un substrat receveur 2. Il se présente habituellement sous la forme d’une plaquette de diamètre compris entre 150mm et 450mm, et d’épaisseur typiquement comprise entre 300 et 900 microns. Il peut comprendre des empilements de couches variés, incluant notamment des matériaux métalliques, correspondant à des couches de dispositifs 2a (par exemple élaborés selon la technologie CMOS, métal-oxyde-semi-conducteur complémentaire), disposés sur une portion massive, par exemple en un matériau semi-conducteur tel que le silicium. Ces matériaux métalliques limitent typiquement les températures applicables au substrat receveur 2 à 500°C ou moins.
Le substrat receveur 2 peut comprendre, avec ou sans couche de dispositifs, des matériaux ne supportant pas de hautes températures de traitement, soit du fait de leur nature, soit du fait de leur coefficient de dilatation thermique très différent de celui de la couche mince monocristalline 1 que l’on souhaite transférer.
Après les étapes a) et b), le procédé de transfert comprend une étape c) d’assemblage par collage direct de la face avant 100a du substrat donneur 100 sur le substrat receveur 2, pour former un ensemble collé au niveau d’une interface de collage 3 ( (a)). Le collage direct implique qu’aucune matière adhésive n’est ajoutée entre les faces assemblées. La très faible rugosité desdites faces (typiquement inférieure à 0,5nm RMS) et leur grande propreté permettent l’implémentation d’un collage par adhésion moléculaire des surfaces. Des nettoyages et/ou activations de surface, bien connus dans le domaine du collage par adhésion moléculaire, pourront être appliqués aux substrats préalablement à l’assemblage, pour favoriser la qualité du collage. Un assemblage en atmosphère contrôlée est également possible.
Le substrat receveur 2, illustré sur la (a), comprend une couche de dispositif 2a au niveau de sa face assemblée. En général, le film superficiel de cette couche 2a sera formé en oxyde de silicium ou en nitrure de silicium.
Lorsque le substrat donneur 100 se présente sous une des formes illustrées en figures 1 à 3, l’interface de collage 3 s’établit entre la couche de dispositifs 2a et la sous-portion amorphisée 101’,101’’,101’’. La première couche 10 amorphisée est particulièrement favorable à une consolidation efficace de l’interface de collage 3, même à faibles températures. En effet, par rapport à une surface monocristalline, une surface amorphisée se déforme mieux lorsque l’on augmente la température et absorbe mieux les monocouches d’eau présentes à l’interface lors d’un collage par adhésion moléculaire. En conséquence, la présence de la sous-portion amorphisée 101’,101’’,101’’ en surface permet une excellente fermeture de l’interface de collage à basse température.
Ainsi, un collage à température ambiante, et éventuellement un recuit de consolidation à une température inférieure à 350°C, assurent déjà une très bonne tenue de l’interface de collage 3, garantissant un bon déroulement des étapes suivantes du procédé, et en particulier l’étape d) de séparation.
Lorsque le substrat donneur 100 se présente sous une des formes illustrées sur les figures 4 et 5, l’interface de collage 3 s’établit entre la couche de dispositifs 2a et la couche de collage 50 en silicium amorphe. Pour les mêmes raisons que notées précédemment, cette dernière est extrêmement efficace pour la fermeture (consolidation) de l’interface de collage à faibles températures, typiquement inférieures à 500°C. Le même type de recuit de consolidation que celui évoqué ci-dessus peut également être appliqué.
L’étape d) de séparation de l’ensemble collé, le long du plan fragile enterré 30, permet de transférer la portion supérieure 101 du substrat donneur 100 sur le substrat receveur 2 ( (b)). La séparation au niveau du plan fragile enterré 30 s’effectue préférentiellement par application d’un traitement thermique à basses températures, typiquement entre 200°C et 500°C, du fait de la croissance de microfissures par coalescence et mise sous pression des espèces gazeuses. Avantageusement, le traitement thermique est opéré à une température inférieure ou égale à 400°C, préférentiellement à une température comprise entre 250°C et 400°C.
Alternativement ou conjointement, la séparation peut être provoquée par l’application d’une contrainte mécanique à l’ensemble collé.
A l’issue de cette séparation, on obtient une structure intermédiaire 150 d’une part, et la portion inférieure 102 du substrat donneur, d’autre part.
Le procédé de transfert conforme à l’invention comprend ensuite une étape e) de recristallisation de la sous-portion amorphisée 101’,101’’, 101’’’, pour restaurer une qualité monocristalline à la première couche 10.
La recristallisation correspond au fait de rendre à la sous-portion 101’,101’’, 101’’’ son caractère monocristallin. Elle met en œuvre un phénomène d’épitaxie en phase solide (SPE pour « solid-phase epitaxy » selon la terminologie anglo-saxonne).
Une telle recristallisation est basée sur l’application d’un traitement thermique à une température à laquelle le réseau cristallin de la sous-portion 101’,101’’, 101’’’ se réorganise sur la base du réseau cristallin de la sous-couche monocristalline 22, qui fait office de germe.
Le traitement thermique de recristallisation peut être effectué à une température comprise entre 450°C et 900°C. Bien sûr, dans le but d’adresser les applications précédemment énoncées, pour lesquelles le substrat receveur 2 n’est pas compatible avec des hautes températures, la température de recristallisation thermique est avantageusement comprise entre 450°C et 550°C, pendant une durée comprise entre 10 min et 50 heures et sous une atmosphère non oxydante. Par exemple, on pourra appliquer un recuit à 500°C pendant 2h à 4h pour recristalliser 15 à 20nm de silicium amorphe.
Au cours du traitement thermique, le front de recristallisation se déplace depuis la sous-couche monocristalline 22 (ou depuis une couche monocristalline, partie de la deuxième couche 20, de la portion supérieure 101, adjacente à la sous-portion amorphisée) vers l’interface de collage 3.
A l’issue de l’étape e) de recristallisation, la portion supérieure 101 de la structure intermédiaire 150 est entièrement monocristalline ( (a)). Notons qu’il est envisageable que le traitement thermique appliqué à l’étape d) de séparation participe à la recristallisation de la sous-portion amorphisée 101’,101’’,101’’’, selon sa température et sa durée.
La première couche 10, dont la qualité monocristalline est restaurée, correspond alors à la couche mince monocristalline 1 dont le transfert est attendu sur le substrat receveur 2. La couche mince 1 présentera ainsi les propriétés physiques et électriques attendues pour l’élaboration de composants électroniques.
Il est possible de mesurer l’épaisseur et la bonne restauration cristalline de la première couche 10 respectivement par ellipsométrie et par Raman et/ou par microscopie électronique à transmission (TEM).
Selon la nature de la couche d'arrêt 15, certaines précautions devront être prises pour éviter qu’elle ne soit endommagée par l’étape e) de recristallisation. En particulier, dans le cas d’une couche d’arrêt 15 en SiGe, la température de recristallisation doit être maintenue inférieure à 700°C, voire inférieure à 600°C pour ne pas relaxer plastiquement le SiGe.
L’interface de collage 3 bénéficie des traitements thermiques appliqués lors des étapes d) de séparation et e) de recristallisation car ces traitements consolident les liaisons interatomiques entre les faces assemblées.
Ainsi, le caractère amorphisé de la première couche 10 favorise, à l’étape c) du procédé, le collage direct entre le substrat donneur 100 et le substrat receveur 2 ; il permet également la guérison efficace des défauts cristallins liés à l’implantation des espèces légères, en autorisant une recristallisation par épitaxie en phase solide à faibles températures : la première couche 10 retrouve ainsi sa qualité monocristalline et les propriétés physiques et électriques associées.
Le procédé de transfert comprend enfin une étape f) de gravure chimique de la deuxième couche 20, puis la gravure chimique de la couche d’arrêt 15 sélectivement vis-à-vis de la première couche 10 ( (b)). Avantageusement, le matériau constitutif de la deuxième couche 20 permet également que cette dernière soit gravée de manière sélective par rapport à la couche d’arrêt 15.
Les techniques connues de gravure sèche ou de gravure humide peuvent être mises en œuvre. Les solutions chimiques de gravure utilisables sont typiquement le TMAH (hydroxyde tetramethylammonium), le TEAH (hydroxyde tétraéthylammonium) ou le KOH (hydroxyde de potassium) pour le silicium, un mélange HF (acide fluorhydrique) / Acide acétique / H2O2(peroxyde d’hydrogène) pour le SiGe, et un mélange HF / Acide acétique / H2O2ou le H3PO4(acide phosphorique) pour le germanium.
L’étape f) permet de retirer la deuxième couche 20, qui présente une rugosité résiduelle relativement importante (de l’ordre de 10 nm RMS typiquement) du fait de la fracture (étape d) le long du plan fragile enterré 30.
Un bon état de surface (rugosité) peut être restauré du fait de la sélectivité de gravure entre la deuxième couche 20 et la couche d’arrêt 15. La sélectivité de gravure entre la couche d’arrêt 15 et la première couche 10 confère une très faible rugosité de surface à cette dernière et conserve son uniformité d’épaisseur.
Le procédé de transfert permet ainsi l’obtention d’une structure 200 comprenant la couche mince monocristalline 1 disposée sur le substrat receveur 2, lequel peut inclure une couche de dispositifs incompatible avec tout traitement à hautes températures ( (b)).
Lorsque le substrat donneur 100 comprend une couche de collage 50 ou l’empilement composé d’une couche intermédiaire 40 et d’une couche de collage 50, les structures 200 obtenues sont telles que sur la (a) et (b).
L’invention concerne également un deuxième mode de mise en œuvre du procédé de transfert de la couche mince monocristalline 1 sur un substrat receveur 2, illustré sur les figures 10 et 11.
Ce mode de mise en œuvre se différencie du procédé précédemment décrit par le positionnement de l’étape de recristallisation dans l’enchainement d’étapes du procédé. En effet, après l’étape a) de fourniture du substrat donneur 100 (identique à la précédente description), une étape a’) de recristallisation locale de la sous-portion amorphisée 101’, 101’’, 101’’’ est opérée pour restaurer une qualité monocristalline à la première couche 10, cela sans affecter le plan fragile enterré 30, c’est-à-dire sans affecter la capacité du plan fragile enterré 30 à provoquer une séparation ultérieurement dans le procédé.
Avantageusement, l’étape a’) de recristallisation comprend un traitement thermique par laser, appliqué au niveau de la face avant 100a du substrat donneur 100 et configuré pour induire une épitaxie en phase solide de la sous-portion amorphisée 101’,101’’,101’’’ ( (a)). A titre d’exemple, ce traitement thermique peut être mis en œuvre grâce à un laser excimer UV (λ =308nm) avec des impulsions d’une durée de l’ordre de 200ns, et une densité d’énergie de l’ordre de 0,8J/cm2.
A l’issue de l’étape a’), la portion supérieure 101 du substrat donneur 100 se retrouve entièrement monocristalline, et la première couche 10 recristallisée forme la couche mince monocristalline 1 destinée à être transférée sur le substrat receveur 2.
L’étape b) de fourniture du substrat receveur 2, l’étape c) d’assemblage par collage direct de la face avant 100a du substrat donneur 100 sur le substrat receveur 2 ( (b)) et l’étape d) de séparation le long du plan fragile enterré 30 pour transférer la portion supérieure 101 du substrat donneur 100 sur le substrat receveur 2 ( (a)), sont opérées dans le deuxième mode de mise en œuvre du procédé, conformément au premier mode de mise en oeuvre précédemment décrit.
Il n’intervient pas d’étape e) de recristallisation, cette dernière ayant été faite préalablement à l’assemblage.
L’étape f) de gravure chimique de la deuxième couche 20, avantageusement sélectivement par rapport à la couche d’arrêt 15, puis la gravure chimique de la couche d’arrêt 15 sélectivement vis-à-vis de la couche mince monocristalline 1, est par contre effectuée de manière identique ( (b)).
Le substrat donneur 100 selon la présente invention permet de réaliser le transfert (selon le premier ou le deuxième mode de mise en œuvre du procédé de transfert) d’une couche mince monocristalline 1 de très haute qualité cristalline, compatible avec l’élaboration de composants électroniques, et cela sans nécessiter l’application de traitements thermiques à hautes températures pour effectuer la guérison des défauts liés à l’implantation d’espèces légères, le lissage de la surface fracturée, l’amincissement de la portion transférée 101 et la consolidation de l’interface de collage 3.
La configuration des couches du substrat donneur 100 simplifie en outre le procédé de transfert de la couche mince 1 sur le substrat receveur 2, en limitant les étapes c) à f) à des traitements thermiques à basses températures et à des gravures chimiques sélectives.
Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l’invention tel que défini par les revendications.

Claims (14)

  1. Substrat donneur (100) pour le transfert d’une couche mince monocristalline (1) en un premier matériau, sur un substrat receveur (2), le substrat donneur (100) présentant une face avant (100a) et une face arrière (100b), et comprenant :
    - un plan fragile enterré (30) qui délimite une portion supérieure (101) et une portion inférieure (102) du substrat donneur (100),
    - dans la portion supérieure (101), une première couche (10) du côté de la face avant (100a), une deuxième couche (20) adjacente au plan fragile enterré (30), et une couche d’arrêt (15) intercalée entre la première couche (10) et la deuxième couche (20), la première couche (10) étant composée du premier matériau, la couche d’arrêt (15) étant formée en un deuxième matériau apte à procurer une gravure sélective par rapport au premier matériau,
    - une sous-portion amorphisée (101’,101’’,101’’’), rendue amorphe par implantation ionique, présentant une épaisseur strictement inférieure à celle de la portion supérieure (101), et incluant au moins la première couche (10) ; la deuxième couche (20) comprenant au moins une sous-couche (22) monocristalline, adjacente au plan fragile enterré (30).
  2. Substrat donneur (100) selon la revendication précédente, dans lequel la sous-portion amorphisée (101’’,101’’’) inclut la couche d’arrêt (15).
  3. Substrat donneur (100) selon la revendication précédente, dans lequel la sous-portion amorphisée (101’’’) inclut une partie (21) de la deuxième couche (20), adjacente à la couche d’arrêt (15).
  4. Substrat donneur (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la deuxième couche (20) est composée du premier matériau.
  5. Substrat donneur (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le premier matériau est choisi parmi le silicium, le germanium ou un alliage silicium/germanium.
  6. Substrat donneur (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le deuxième matériau est choisi parmi le silicium germanium ou le silicium fortement dopé.
  7. Substrat donneur (100) selon l’une des revendications précédentes, comprenant une couche de collage (50) en silicium amorphe disposée sur la première couche (10).
  8. Procédé de transfert d’une couche mince monocristalline (1) en un premier matériau, sur un substrat receveur (2), comprenant les étapes suivantes :
    a) la fourniture d’un substrat donneur (100) selon l’une des revendications précédentes,
    b) la fourniture d’un substrat receveur (2),
    c) l’assemblage par collage direct de la face avant (100a) du substrat donneur (100) sur le substrat receveur (2),
    d) la séparation le long du plan fragile enterré (30) pour transférer la portion supérieure (101) du substrat donneur (100) sur le substrat receveur (2),
    e) la recristallisation de la sous-portion amorphisée (101’, 101’’, 101’’’) pour restaurer une qualité monocristalline à la première couche (10), laquelle forme alors la couche mince monocristalline (1),
    f) la gravure chimique de la deuxième couche (20), puis la gravure chimique de la couche d’arrêt (15) sélectivement vis-à-vis de la couche mince monocristalline (1).
  9. Procédé de transfert selon la revendication précédente, dans lequel l’étape e) de recristallisation comprend un traitement thermique à une température comprise entre 450°C et 900°C, préférentiellement comprise entre 450°C et 550°C.
  10. Procédé de transfert d’une couche mince monocristalline (1) en un premier matériau, sur un substrat receveur (2), comprenant les étapes suivantes :
    a) la fourniture d’un substrat donneur (100) selon l’une des revendications 1 à 7,
    a’) la recristallisation locale de la sous-portion amorphisée (101’, 101’’, 101’’’) pour restaurer une qualité monocristalline à la première couche (10), sans affecter le plan fragile enterré (30), la première couche (10) recristallisée formant la couche mince monocristalline (1),
    b) la fourniture d’un substrat receveur (2),
    c) l’assemblage par collage direct de la face avant (100a) du substrat donneur (100) sur le substrat receveur (2),
    d) la séparation le long du plan fragile enterré (30) pour transférer la portion supérieure (101) du substrat donneur (100) sur le substrat receveur (2),
    f) la gravure chimique de la deuxième couche (20), puis la gravure chimique de la couche d’arrêt (15) sélectivement vis-à-vis de la couche mince monocristalline (1).
  11. Procédé de transfert selon la revendication précédente, dans lequel l’étape a’) de recristallisation comprend un traitement thermique par laser, appliqué au niveau de la face avant (100a) du substrat donneur (100) et configuré pour induire une épitaxie en phase solide de la sous-portion amorphisée (101’,101’’,101’’’).
  12. Procédé de transfert selon l’une des revendications 8 et 10, dans lequel l’étape d) de séparation comprend un traitement thermique à une température inférieure ou égale à 400°C, préférentiellement à une température comprise entre 250°C et 400°C.
  13. Procédé de transfert selon l’une des revendications 8 et 10, dans lequel l’étape a) de fourniture du substrat donneur (100) comprend une implantation d’ions dans la portion supérieure (101) dudit substrat (100), initialement de qualité monocristalline, pour former la sous-portion amorphisée (101’,101’’,101’’’).
  14. Procédé de transfert selon l’une des revendications 8 et 10, dans lequel, à l’étape f), la gravure chimique de la deuxième couche (20) est sélective par rapport à la couche d’arrêt (15).
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