WO2008031980A1 - Procede de transfert d'une couche a haute temperature - Google Patents

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WO2008031980A1
WO2008031980A1 PCT/FR2007/051903 FR2007051903W WO2008031980A1 WO 2008031980 A1 WO2008031980 A1 WO 2008031980A1 FR 2007051903 W FR2007051903 W FR 2007051903W WO 2008031980 A1 WO2008031980 A1 WO 2008031980A1
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substrate
donor substrate
species
implantation
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PCT/FR2007/051903
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English (en)
Inventor
Xavier Hebras
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S.O.I.Tec Silicon On Insulator Technologies
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
    • H01L21/76—Making of isolation regions between components
    • H01L21/762—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers
    • H01L21/7624—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology
    • H01L21/76251—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology using bonding techniques
    • H01L21/76254—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology using bonding techniques with separation/delamination along an ion implanted layer, e.g. Smart-cut, Unibond

Definitions

  • the present invention relates to a method for transferring a layer of a donor substrate onto a receiving substrate used in the manufacture of heterostructures such as SeOI type structures.
  • Smart Cut TM technology A well-known technology for producing layer transfer heterostructures is Smart Cut TM technology.
  • An example of implementation of Smart Cut TM technology is described in particular in US 5,374,564 or in the article by AJ. Auberton-Hervé et al. entitled “Why can Smart-Cut Change the Future of Microelectronics?”, Int.
  • This technology implements the following steps: a) Bombardment of a face of a donor substrate (for example made of silicon) with light ions of hydrogen type or rare gases (for example hydrogen and / or helium) for implanting these ions in sufficient concentration in the substrate, the implanted zone making it possible to create an embrittlement layer by formation of microcavities or platelets during annealing detachment, b) intimate contact (bonding) of this face of the donor substrate with a receiving substrate, and c) splitting annealing to cause, by effect of crystalline rearrangement and pressure in the microcavities or platelets formed from the implanted species, the fracture or cleavage at the implanted layer to obtain a heterostructure resulting from the transfer of the donor substrate layer on the receiving substrate r.
  • a donor substrate for example made of silicon
  • light ions of hydrogen type or rare gases for example hydrogen and / or helium
  • the heterostructures thus obtained have defects not only at the surface of the transferred layer but also at the interfaces of the layers constituting the heterostructure.
  • Different types of surface defects may appear after the transfer of a layer onto a receiving substrate. Among these defects are: surface roughness, non-transferred areas (ZNTs), blisters, gaps or "voids", VOC-type gaps ("Crystal Oriented Voids”), etc.
  • defects have various origins as a bad transfer, the presence of underlying defects in the various layers of the structure, the quality of bonding interfaces or simply the different steps that must be implemented to manufacture such structures (implantation of species, heat treatment, etc.).
  • JP2005085964 it is sought to reinforce the bonding energy before the release of the layer to be transferred by using a helium implantation step and then applying a high temperature detachment annealing in ranges of 800 0 C to 1100 0 C.
  • US 6,756,286 Another method disclosed in US 6,756,286 is intended to improve the surface condition of the transferred layer after the detachment of the latter. It consists in forming an inclusion zone to confine the gaseous species resulting from the implantation in order to reduce the surface roughness of the detached layer by reducing the implantation doses and the thermal budget.
  • US Pat. No. 6,828,216 it is proposed to apply a detachment annealing in two phases, the first phase making it possible to reach the beginning of the peeling of the layer to be transferred around a standard range of 400 to 500 ° C. VS ; the second phase allowing the finishing of the delamination in order to obtain a good quality surface condition with annealing end temperatures of around 600 to 800 ° C.
  • the oxide layer being thin or non-existent, the diffusing species (gases for example) are not trapped in the thickness of the oxide layer and may be at the origin many defects within the heterostructure.
  • the present invention proposes a solution which makes it possible, during the transfer of a layer between a donor substrate and a receiving substrate, to reinforce the bonding energy between the layer to be transferred and, consequently, to limit the defects in the resulting heterostructure.
  • the invention relates to a method of transferring a layer of a donor substrate to a recipient substrate comprising: a) a step of ion implantation of at least one species into the donor substrate intended to form a layer microcavities or platelets, b) a step of bonding the face of the donor substrate with the receiving substrate by molecular adhesion, c) a high temperature detachment step for detaching the layer in contact with the receiving substrate by cleavage at the layer of microcavities or platelets formed in the donor substrate, characterized in that it further comprises a treatment step of the donor substrate for trapping the atoms of the implanted species during step a) to a release temperature reached in step c) so as to block or limit the formation of microcavities or platelets in the donor substrate below the release temperature.
  • the treatment step can be performed before or after step a).
  • the method of the invention makes it possible to create a new reaction pathway of the implanted species which makes it possible to delay the detachment of the layer to be transferred.
  • the implanted atoms intended to form the embrittlement layer and to cause the detachment of the layer to be transferred during the detachment annealing are temporarily trapped and are released to form the microcavities or platelets only when applying a high release temperature.
  • the higher the temperature the more the bonding energy becomes stronger. This reinforcement is even more important for temperatures higher than the temperatures usually used in detachment annealing.
  • the trapping treatment is chosen so as to require a higher release temperature than the temperatures usually used in detachment annealing, namely a temperature greater than at least 500 ° C.
  • a higher release temperature than the temperatures usually used in detachment annealing, namely a temperature greater than at least 500 ° C.
  • the treatment step for trapping the implanted species is carried out by introduction into the donor substrate of at least one ionic species capable of reacting with the species implanted during step a).
  • the reactive species will form stable complexes with the species useful for detachment.
  • the development of implanted atoms to cause cleavage is then delayed until they are released from the stable complexes.
  • the application of a higher temperature during the detachment of the layer to be transferred makes it possible to reinforce the bonding energy and, consequently, to limit the occurrence of defects after the transfer.
  • the introduction of the ionic species or species capable of reacting with the species implanted in step a) is carried out by ion implantation in the donor substrate.
  • the species capable of reacting with the species implanted during step a) may be chosen in particular from at least fluorine, nitrogen and carbon.
  • the introduction of the ionic species or species capable of reacting with the species implanted in step a) is carried out by forming a doped layer in the donor substrate, the latter being preferably buried in the substrate
  • This layer may be deposited or formed by ion implantation
  • the deposition of the doped layer may be carried out in particular by plasma vapor deposition (PCVD for "Plasma Chemical Vapor Deposition") or by low-pressure deposition in vapor phase (LPCVD for "Low Pressure Chemical Vapor Deposition”)
  • the layer is doped with carbon, boron, phosphorus, arsenic, indium, or
  • the dopants are chosen according to the nature of the donor substrate to be treated.
  • the treatment step for trapping the implanted species is carried out by forming defects in the donor substrate.
  • This training is performed by introduction of ionic species in the donor substrate, such as by means of an ion implantation of helium, said implantation being followed by a heat treatment to form cavities in the implanted area with helium.
  • the cavities thus formed will trap the implanted atoms for detachment to a release temperature above the usual detachment temperature so that the detachment of the layer to be transferred will occur at a higher temperature where the bonding energy is reinforced, this temperature being between 550 0 C and 800 0 C.
  • the ion implantation of helium can be carried out with an implantation energy of between 10 and 150 keV and an implantation dose of between 1.10 16 atoms / cm 2 and 5.10 17 atoms / cm 2 .
  • the heat treatment for forming the cavities can be carried out at a temperature of between 450 ° C. and 1000 ° C. for a duration of between 30 minutes and 1000 minutes.
  • the donor substrate is of semiconductor material. It may be in particular a substrate of silicon, or germanium, or silicon-germanium, or gallium nitride, or gallium arsenide, or silicon carbide. It may also be an insulating material or ferromagnetic, piezoelectric and / or pyroelectric materials (for example Al 2 O 3 , LiTaOs).
  • the bonding surfaces of the donor substrate and of the receiving substrate are preferably previously treated so as to render them hydrophobic, the reinforcement of the bonding energy being even greater in case of hydrophobic bonding.
  • FIG. 1 shows the variations of bonding energy as a function of temperature
  • FIGS. 2A to 2E are schematic sectional views showing the transfer of a Si layer according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 3 is a flowchart of the steps implemented in FIGS. 2A to 2E
  • FIGS. 4A to 4F are schematic sectional views showing the transfer of a Si layer in accordance with another embodiment of FIG.
  • FIG. 5 is a flowchart of the steps implemented in FIGS. 4A to 4F
  • FIG. 6 shows the formation of cavities in a Si substrate after helium implantation and heat treatment
  • FIG. 8 shows an area where hydrogen ions implanted in a Si substrate are trapped between and around cavities formed after Helium implantation and heat treatment.
  • the present invention applies to any method of layer transfer implementing at least one ion implantation of a donor substrate to delimit by a weakening plane a layer to be transferred, the bonding of the donor substrate implanted on a receiving substrate and the application of a heat treatment, called detach annealing, at high temperature in order to detach the layer to be transferred from the donor substrate as in Smart Cut TM technology.
  • the principle of the invention consists in increasing the temperature of the detachment annealing necessary for the formation and the development of microcavities or platelets in the implanted zone to cause the fracture in the donor substrate so as to increase the bonding energy at the interface between the donor substrate and the receiving substrate.
  • splitting annealing in SmartCut TM technology for silicon-type substrates is carried out in a temperature range between 400 ° C. and 500 ° C. for a predetermined period of time (the temperature / temperature pair). duration corresponds to the thermal budget of the detachment annealing).
  • FIG. 1 shows the variations in bonding energy between two silicon substrates as a function of temperature, and for silicon substrates assembled either by hydrophobic bonding. (curve A), or by a hydrophilic bonding (curve B).
  • the bonding energy is enhanced at the time of transfer of the layer, which allows to obtain a detachment of a layer with low defectivity.
  • the starting substrate or donor substrate 1 consists of a monocrystalline silicon plate (or “wafer") covered with an insulating layer of silicon oxide (SiO 2 ) 2 obtained by thermal oxidation and having a thickness of about 300 ⁇ .
  • a first step called implantation of reactive species the substrate 1 is subjected to an ionic bombardment of atoms through the plane face 7 of the substrate comprising the layer (Si ⁇ 2 ).
  • the implanted atoms are atoms chosen from species which are highly reactive with the species used during the subsequent implantation carried out for the detachment of the layer.
  • the implantation leading to the detachment is typically carried out with hydrogen atoms.
  • the implantation of reactive species can be carried out in particular with fluorine, nitrogen or carbon atoms which are species known to be highly reactive with hydrogen.
  • the donor substrate is implanted with hydrogen atoms during the detachment implantation step and with fluorine atoms during the step of implantation of reactive species.
  • fluorine atoms are implanted with an implantation energy of between 80 and 280 keV and an implantation dose of between 5.10 14 and 2.10 15 atoms / cm 2 . This dose is calculated to prevent any amorphization of the substrate during implantation.
  • These implantation conditions make it possible to create, at a determined depth in the substrate 1, a concentration layer of fluorine atoms 3 (FIG. 2A).
  • the implantation dose is chosen so that the concentration of the fluorine atoms in the layer 3 is sufficient to create a layer of auxiliary defects within the donor substrate capable of temporarily trapping (ie up to a certain temperature) the hydrogen atoms subsequently implanted during the detachment implantation step.
  • the dose and the implantation energy are also chosen so that the reactive species of the layer 3 are in an area close to that where the hydrogen will be implanted during the implantation step intended to form an embrittlement layer for Detachment.
  • the auxiliary defects formed are for example cavities, defects of the ⁇ 113 ⁇ type, dislocation loops ("dislocation loops") which will make it possible to retain the implanted hydrogen thereafter. by forming stable complexes such as HF bonds between the fluorine and hydrogen atoms.
  • an implantation carried out with carbon or nitrogen atoms causes the formation of auxiliary defects in the donor substrate and will allow trapping of the subsequently implanted hydrogen atoms by formation of stable complexes such as C-H or N-H bonds.
  • the implantation step usually carried out is carried out with a view to detaching the layer of the donor substrate (step S2, FIG. 2B).
  • the step of implantation of reactive species can also be performed after the detachment implantation step (step S1 ').
  • the substrate 1 is subjected to ionic bombardment of H + hydrogen ions.
  • the implantation of the H + ions is carried out for example with an implantation energy which may be between 20 and 250 keV and an implantation dose of between approximately 3.10 16 and 6.10 16 atoms / cm 2 , preferably 5.5 ⁇ 10 16. atoms / cm 2 .
  • the implantation dose is chosen so that the concentration of H + ions is sufficient to form and develop a layer of microcavities or platelets during a subsequent heat treatment step delimiting, on the one hand, a layer or thin film 4 in the upper region of the substrate 1 and, on the other hand, a portion 5 in the lower region of the substrate corresponding to the rest of the substrate 1.
  • the donor substrate 1 is then adhesively bonded to a receiver substrate 6, for example a silicon wafer (step S3, FIG. 2C).
  • a receiver substrate 6 for example a silicon wafer
  • molecular bonding is based on the direct contact of two surfaces, that is to say without the use of a specific material (glue, wax, low melting metal, etc.), the attractive forces between the two surfaces being high enough to cause the molecular adhesion (bonding induced by the set of attractive forces (Van Der Waals forces) of electronic interaction between atoms or molecules of the two surfaces to be bonded).
  • the bonding energy increases with the temperature in particular because, above a certain temperature, the majority of the bonds between the two surfaces put in contact correspond to covalent bonds. Moreover, as indicated in FIG. 1, the bonding energy increases more strongly with the temperature, in particular above 550 ° C., when the bonding is a hydrophobic bonding, that is to say when the surfaces substrates to be glued were previously made hydrophobic.
  • the surfaces of two substrates for example silicon, can be made hydrophobic by dipping the two substrates in a chemical cleaning bath HF (hydrofluoric acid).
  • the bonding surfaces 7 and 8 respectively of the donor substrate 1 and of the receiving substrate 6 are therefore preferably treated before bonding so as to be rendered hydrophobic.
  • detachment of the layer 4 of the substrate 1 is carried out by applying a heat treatment or annealing of detachment resulting in the cleavage of the substrate at the level of the implantation zone of the H + ions (step S4, Figure 2D).
  • a heat treatment or annealing of detachment resulting in the cleavage of the substrate at the level of the implantation zone of the H + ions step S4, Figure 2D.
  • the temperature of the thermal budget during the detachment must be higher here because of trapping of hydrogen by fluorine.
  • the detachment of the layer to be transferred occurs at temperatures where the bonding energy is higher than with the temperatures usually encountered in thermal detachment treatments, which makes it possible to minimize the defects present at the interface. to reduce, even eliminate, the diffusing species and thus to obtain a transferred layer of better quality.
  • a conventional polishing step (chemical mechanical polishing) is then performed to eliminate the disturbed area and to reduce the roughness level of the fractured surface 9 of the transferred layer 4 (step S5, FIG. 2E).
  • the disturbed zone can also be eliminated by selective etching (etching) possibly followed by polishing to improve the surface roughness.
  • Heat treatment in hydrogen and / or argon may also be carried out alone or in combination with polishing.
  • the introduction into the substrate of one or more ionic species capable of reacting with the implanted species to form stable complexes as described above can be carried out by forming a doped layer in the substrate giver.
  • This layer may be deposited or formed by ion implantation.
  • the deposition of the doped layer can also be carried out in particular by plasma vapor phase deposition (PCVD for "Plasma Chemical Vapor Deposition ") or by low-pressure vapor deposition (LPCVD for" Low Pressure Chemical Vapor Deposition ").
  • PCVD plasma vapor phase deposition
  • LPCVD low-pressure vapor deposition
  • the layer is doped with carbon, boron, phosphorus, arsenic, indium, or gallium
  • the dopants are chosen according to the nature of the donor substrate to be treated.
  • Figs. 4A to 4F and 5 illustrate another embodiment of a layer transfer method according to the invention. This implementation differs from that described above in that instead of trapping the implanted detachment species or by formation of stable complexes, they are trapped in cavities previously formed before the detachment implantation step.
  • the starting substrate 11 consists of a monocrystalline silicon plate (or “wafer") covered with a layer of silicon oxide (SiO 2 ) 12 obtained by thermal oxidation and having a thickness of approximately 300 ⁇ .
  • a first implantation step the substrate 11 is first subjected to ionic bombardment of Helium He ions through the flat face 17 of the substrate 11 comprising the (SiO 2 ) 11 layer.
  • Implantation of the He ions is carried out with an impinging energy of between 10 and 150 keV, preferably 50 keV and an implantation dose of between 1.10 16 atoms / cm 2 and 5.10 17 atoms / cm 2 , here preferably 5.10 16 atoms / cm 2 .
  • These implantation conditions make it possible to create, at a determined depth in the substrate 11, a concentration layer of He ions 13 (FIG. 4A).
  • a heat treatment step is then carried out which allows the development and / or formation of cavity-shaped defects at the He 13 ion concentration layer (step S20, FIG. 4B). These cavities will constitute reservoirs for momentarily trapping the detachment species implanted in the next step.
  • the heat treatment is carried out in a temperature range from 450 ° C. to 1000 ° C., preferably 600 ° C., for a time ranging from 30 minutes to 1000 minutes, preferably 1 hour.
  • FIG. 6 shows cavities formed in a silicon substrate after a helium implantation performed with an implantation energy of about 50 keV and an implantation dose of about
  • the implantation conditions as well as the thermal budget during the formation of the trapping cavities are determined according to the type of implantation (species, energy / implantation dose) carried out for the formation of the embrittlement layer with a view to detachment. in order to maximize trapping reactions.
  • the type of implantation species, energy / implantation dose
  • either a thick zone of small cavities / trapping tanks or a thinner zone with larger cavities / trapping tanks will be formed.
  • FIG. 7 shows a silicon substrate comprising a thick zone (ie around 200 nm) containing numerous small cavities obtained after a helium implantation performed with an implantation energy of approximately 50 keV and a implantation dose of about 5.10 16 atoms / cm 2 followed by a heat treatment carried out at 600 0 C for 1 hour.
  • the thickness of this zone as well as the size of the cavities are particularly well suited for the trapping of implanted hydrogen ions with an implantation energy of approximately 30 keV and an implantation dose of approximately 5.5 ⁇ 10. atoms / cm 2 .
  • the implementation step usually carried out is carried out with a view to detaching the layer of the donor substrate (step S30, FIG. 4C).
  • the substrate 11 is subjected to ionic bombardment 40 of H + hydrogen ions.
  • the implantation of the H + ions is carried out for example with an implantation energy of approximately 30 keV and an implantation dose of approximately 5.5 ⁇ 10 16 atoms / cm 2 .
  • the implantation dose is chosen so that the concentration of H + ions is sufficient to form and develop a layer of microcavities or platelets during a subsequent heat treatment step delimiting, on the one hand, a layer or thin film 14 in the upper region of the substrate 11 and, on the other hand, a portion 15 in the lower region of the substrate corresponding to the rest of the substrate 11.
  • FIG. 8 shows an area of a silicon substrate which has undergone, with a view to detachment, a hydrogen ion implantation carried out with an implantation energy of approximately 30 keV and an implantation dose of approximately LlO 16 atoms. / cm 2 and after the formation of a line of cavities formed by helium implantation performed with an implantation energy of about 50 keV and an implantation dose of about 110 16 atoms / cm 2 followed by a heat treatment carried out at 600 ° C. for 1 hour. Note that hydrogen ions are trapped in and between cavities.
  • the donor substrate 1 is then adhesively bonded to a receiver substrate 16, for example a silicon wafer (step S40, FIG. 4D).
  • the bonding surfaces 17 and 18, respectively, of the donor substrate 11 and of the receiving substrate 16 are preferably treated before bonding so as to be rendered hydrophobic.
  • detachment of the layer 14 of the substrate 11 is carried out by applying a detachment heat treatment resulting in the cleavage of the substrate at the implantation zone of the H + ions (step S50, FIG. 4E ).
  • the temperature of the thermal budget during the detachment must be higher here for release the hydrogen trapped in the cavities.
  • the effects responsible for the separation between the layer to be transferred and the rest of the donor substrate are produced at temperatures also higher than usual (temperatures above 500 0 C). Therefore, the detachment of the layer to be transferred occurs at temperatures where the bonding energy is higher than with the temperatures usually encountered in thermal detachment treatments, which makes it possible to minimize the defects present at the interface. to reduce, even eliminate, the diffusing species and thus to obtain a transferred layer of better quality.
  • a conventional polishing step (chemical mechanical polishing) is then performed to remove the disturbed area and to reduce the level of roughness of the fractured surface 19 of the transferred layer 14 (step S60, Fig. 4F).
  • the disturbed zone can also be eliminated by selective chemical etching (optionally etching) followed by polishing to improve surface roughness and / or heat treatment under hydrogen and / or argon.
  • the method of the invention makes it possible to reinforce the bonding energy at the moment of detachment and to minimize the defects in the resulting heterostructure.
  • the process of the invention is particularly advantageous during the production of SeOI (semiconductor on insulator) type heterostructures, and in particular those comprising a thin insulating oxide layer (UTBOX, "Ultra Thin Buried Oxide Layer") or even not including an oxide layer, such as DSB-type heterostructures ("Direct Silicon Bonding").
  • SeOI semiconductor on insulator
  • UTBOX thin Thin Buried Oxide Layer
  • DSB-type heterostructures Direct Silicon Bonding
  • the temporary trapping of the implanted species for the detachment will modify the speeds of the degassing flows.
  • the flows "detrimental" to the quality of the bonding interface are reduced accordingly.

Abstract

L'invention concerne un procédé de transfert d'une couche (4) d'un substrat donneur (1) sur un substrat receveur (6) comprenant: a) une étape (S2) d'implantation ionique d'au moins une espèce dans Ie substrat donneur (1) destinée à former une couche de microcavités ou platelets, b) une étape (S3) de collage de la face (7) du substrat donneur (1) avec une face (8) du substrat receveur (6) par adhésion moléculaire, c) une étape de détachement à haute température pour détacher la couche (4) en contact avec le substrat receveur (6) par clivage au niveau de la couche de microcavités ou platelets formée dans le substrat donneur (1). Le procédé comprend en outre, une étape de traitement (Sl) du substrat donneur (1) pour piéger les atomes de l'espèce implantée lors de l'étape a) jusqu'à une température de libération atteinte lors de l'étape c) de manière à bloquer ou limiter la formation des microcavités ou platelets en dessous de la température de libération.

Description

PROCEDE DE TRANSFERT D'UNE COUCHE A HAUTE TEMPÉRATURE
Domaine technique et art antérieur
La présente invention concerne un procédé de transfert d'une couche d'un substrat donneur sur un substrat receveur utilisé lors de la fabrication d'hétérostructures telles que les structures de type SeOI
("Semiconductor On Insulator") pour des applications électroniques, microélectroniques et optoélectroniques.
Une technologie bien connue pour la réalisation d'hétérostructures par transfert de couches est la technologie Smart Cut™. Un exemple de mise en œuvre de la technologie Smart Cut™ est notamment décrit dans le document US 5 374 564 ou dans l'article de AJ. Auberton-Hervé et al. intitulé "Why can Smart-Cut Change the future of microelectronics ?", Int. Journal of High Speed Electronics and Systems, Vol.10, NoI, 2000, p.131- 146. Cette technologie met en oeuvre les étapes suivantes: a) Bombardement d'une face d'un substrat donneur (par exemple en silicium) avec des ions légers de type hydrogène ou gaz rares (par exemple hydrogène et/ou hélium) pour implanter ces ions en concentration suffisante dans le substrat, la zone implantée permettant de créer une couche de fragilisation par formation de microcavités ou platelets lors d'un recuit de détachement, b) mise en contact intime (collage) de cette face du substrat donneur avec un substrat receveur, et c) recuit de détachement ("splitting annealing") pour provoquer, par effet de réarrangement cristallin et de pression dans les microcavités ou platelets formés à partir des espèces implantées, la fracture ou le clivage au niveau de la couche implantée permettant d'obtenir une hétérostructure résultant du transfert de la couche du substrat donneur sur le substrat receveur.
Cependant, les hétérostructures ainsi obtenues présentent des défauts non seulement en surface de la couche transférée mais aussi aux interfaces des couches constituant Phétérostructure. Différents types de défauts de surfaces peuvent apparaître après le transfert d'une couche sur un substrat receveur. Parmi ces défauts, on trouve: de la rugosité de surface, des zones non transférées (ZNT), des cloques, des lacunes ou "Voids", des lacunes de type COV ("Crystal Orientated Voids"), etc.
Ces défauts ont diverses origines comme un mauvais transfert, la présence de défauts sous jacents dans les diverses couches de la structure, la qualité du collage aux interfaces ou simplement les différentes étapes qui doivent être mises en œuvre pour fabriquer de telles structures (implantation d'espèces, traitement thermique, etc.).
Afin de remédier à ces problèmes, différentes techniques ont été mises au point comme par exemple des recuits à basse température (notamment décrits dans le document US 2006/0040470), des traitements au plasma permettant d'augmenter les énergies de collage aux interfaces et conduisant à un détachement de la couche à transférer avec peu de défauts. En effet, il est connu que, lors d'un transfert, plus l'énergie de collage entre le substrat donneur et le substrat receveur est forte moins il y aura de défauts dans l'hétérostructure résultante. Les solutions développées, comme le traitement au plasma de la ou des surfaces à coller, permettent de renforcer l'énergie de collage tout en limitant la température du traitement thermique appliqué pour le détachement de manière à limiter la diffusion des contaminants.
De même, dans le document JP2005085964, on cherche à renforcer l'énergie de collage avant le détachement de la couche à transférer en utilisant une étape d'implantation d'hélium et en appliquant ensuite un recuit de détachement à haute température dans des gammes de 800 0C à 1100 0C.
Un autre procédé présenté dans le document US 6 756 286 est destiné à améliorer l'état de surface de la couche transférée après le détachement de cette dernière. Il consiste à former une zone d'inclusions pour confiner les espèces gazeuses issues de l'implantation afin de diminuer la rugosité de surface de la couche détachée en réduisant les doses d'implantation et le budget thermique. Enfin, dans le document US 6 828 216, on propose d'appliquer un recuit de détachement en deux phases, la première phase permettant d'atteindre le début du décollement de la couche à transférer autour d'une gamme standard de 400 à 500 0C ; la deuxième phase permettant la finition du décollement en vue de l'obtention d'un état de surface de bonne qualité avec des températures de fin de recuit se situant vers 600 à 800 0C.
Cependant, ces techniques actuelles ne sont pas adaptées pour toutes les hétérostructures de type SeOI (semi-conducteur sur isolant) et notamment pour celles comportant une couche d'oxyde isolante fine (UTBOX, "Ultra Thin Buried Oxyde Layer") ou même ne comprenant pas de couche d'oxyde, comme par exemple les hétérostructures de type DSB ("Direct Silicon Bonding").
En effet, avec ce type d'hétérostructure, la couche d'oxyde étant fine ou inexistante, les espèces diffusantes (des gaz par exemple) ne sont pas piégées dans l'épaisseur de la couche d'oxyde et peuvent être à l'origine de nombreux défauts au sein de l'hétérostructure.
Résumé de l'invention
Pour pallier les inconvénients précités, la présente invention propose une solution qui permet, lors du transfert d'une couche entre un substrat donneur et un substrat receveur, de renforcer l'énergie de collage entre la couche à transférer et, par conséquent, de limiter les défauts dans l'hétérostructure résultante.
A cet effet, l'invention concerne un procédé de transfert d'une couche d'un substrat donneur sur un substrat receveur comprenant: a) une étape d'implantation ionique d'au moins une espèce dans le substrat donneur destinée à former une couche de microcavités ou platelets, b) une étape de collage de la face du substrat donneur avec le substrat receveur par adhésion moléculaire, c) une étape de détachement à haute température pour détacher la couche en contact avec le substrat receveur par clivage au niveau de la couche de microcavités ou platelets formée dans le substrat donneur, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, une étape de traitement du substrat donneur pour piéger les atomes de l'espèce implantée lors de l'étape a) jusqu'à une température de libération atteinte lors de l'étape c) de manière à bloquer ou limiter la formation des microcavités ou platelets dans le substrat donneur en dessous de la température de libération. L'étape de traitement peut être réalisée avant ou après l'étape a).
Ainsi, en introduisant une étape de traitement pour piéger les atomes de l'espèce implantée, le procédé de l'invention permet de créer une nouvelle voie réactionnelle de l'espèce implantée qui permet de retarder le détachement de la couche à transférer. En effet, les atomes implantés destinés à former la couche de fragilisation et à provoquer le détachement de la couche à transférer lors du recuit de détachement sont temporairement piégés et ne sont libérés pour former les microcavités ou platelets que lors de l'application d'une température de libération élevée. Comme expliqué plus loin, on a constaté que plus la température est élevée, plus l'énergie de collage se renforce. Ce renforcement est encore plus important pour des températures supérieures aux températures habituellement utilisées dans les recuits de détachement.
Par exemple pour le silicium, le traitement de piégeage est choisi de manière à nécessiter une température de libération supérieure aux températures habituellement utilisées dans les recuits de détachement, à savoir une température supérieure à au moins 500 0C. Ainsi, en libérant les atomes responsables du détachement à une température supérieure à la température habituellement utilisée pour le détachement, ces derniers ne jouent leur rôle dans le détachement de la couche à transférer qu'à partir d'une température où l'énergie de collage est plus forte, ce qui permet d'obtenir une hétérostructure avec moins de défauts.
Selon une première approche de l'invention, l'étape de traitement pour le piégeage de l'espèce implantée est réalisée par introduction dans le substrat donneur d'au moins une espèce ionique apte à réagir avec l'espèce implantée lors de l'étape a).
Ainsi, par création de liaisons et/ou interactions entre les deux espèces, l'espèce réactive va former avec l'espèce utile au détachement des complexes stables. Le développement des atomes implantés permettant de provoquer le clivage est alors retardé tant qu'ils ne sont pas libérés des complexes stables. Pour les dissocier de ceux de l'espèce réactive, il faut appliquer un traitement thermique à une température plus élevée (entre 550 0C et 800 0C environ) que celles habituellement appliquées pour provoquer le clivage au niveau de la couche de fragilisation. L'application d'une température plus élevée lors du détachement de la couche à transférer permet de renforcer l'énergie de collage et, par conséquent, de limiter l'apparition de défauts après le transfert. Selon un aspect de l'invention, l'introduction de la ou des espèces ioniques aptes à réagir avec l'espèce implantée lors de l'étape a) est réalisée par implantation ionique dans le substrat donneur. L'espèce apte à réagir avec l'espèce implantée lors de l'étape a) peut être choisie notamment au moins parmi le fluor, l'azote et le carbone. Selon un autre aspect de "invention, l'introduction de la ou des espèces ioniques aptes à réagir avec l'espèce implantée lors de l'étape a) est réalisée par formation d'une couche dopée dans le substrat donneur, celle-ci étant de préférence enterrée dans le substrat. Cette couche peut être déposée ou formée par implantation ionique. Le dépôt de la couche dopée peut être réalisé notamment par dépôt plasma en phase vapeur (PCVD pour "Plasma Chemical Vapor Déposition") ou par dépôt basse pression en phase vapeur (LPCVD pour "Low Pressure Chemical Vapor Déposition"). Dans le cas d'un substrat donneur en silicium, la couche est dopée avec du carbone, du bore, du phosphore, de l'arsenic, de l'indium, ou du gallium. D'une manière générale, les dopants sont choisis en fonction de la nature du substrat donneur à traiter.
Selon une deuxième approche de l'invention, l'étape de traitement pour le piégeage de l'espèce implantée est réalisée par formation de défauts dans le substrat donneur. Cette formation est réalisée par introduction d'espèces ioniques dans le substrat donneur, comme par exemple au moyen d'une implantation ionique d'hélium, ladite implantation étant suivie d'un traitement thermique pour former des cavités dans la zone implantée avec l'hélium. Les cavités ainsi formées vont piéger les atomes implantés en vue du détachement jusqu'à une température de libération supérieure à la température de détachement habituelle si bien que le détachement de la couche à transférer se produira à une température plus élevée où l'énergie de collage est renforcée, cette température étant comprise entre 550 0C et 800 0C environ.
L'implantation ionique d'hélium peut être réalisée avec une énergie d'implantation comprise entre 10 et 150 keV et une dose d'implantation comprise entre 1.1016 atomes/cm2 et 5.1017 atomes/cm2. Le traitement thermique de formation des cavités peut être réalisé à une température comprise entre 4500C et 10000C pendant une durée comprise entre 30 minutes et 1000 minutes.
Selon un aspect de l'invention, le substrat donneur est en matériau semi-conducteur. Il peut être notamment un substrat de silicium, ou de germanium, ou de silicium-germanium, ou de nitrure de gallium, ou d'arséniure de gallium, ou de carbure de silicium. Il peut également s'agir d'un matériau isolant ou de matériaux ferromagnétiques, piézo-électriques et/ou pyro-électriques (par exemple AI2O3, LiTaOs).
De façon optionnelle, les surfaces de collage du substrat donneur et du substrat receveur sont de préférence préalablement traitées de manière à les rendre hydrophobes, le renforcement de l'énergie de collage étant encore plus important en cas de collage hydrophobe.
Brève description des figures
Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description suivante, faite à titre indicatif et non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 montre les variations de l'énergie de collage en fonction de la température, les figures 2A à 2E sont des vues schématiques en coupe montrant le transfert d'une couche de Si conformément à un mode de mise en œuvre de l'invention, la figure 3 est un organigramme des étapes mises en œuvre dans les figures 2A à 2E, les figures 4A à 4F sont des vues schématiques en coupe montrant le transfert d'une couche de Si conformément à un autre mode de mise en œuvre de l'invention, la figure 5 est un organigramme des étapes mises en œuvre dans les figures 4A à 4F, la figure 6 montre la formation de cavités dans un substrat de Si après implantation d'hélium et traitement thermique, - la figure 7 montre une zone épaisse de petites cavités formée dans un substrat de Si après implantation d'hélium et traitement thermique, la figure 8 montre une zone où des ions d'hydrogène implantés dans un substrat de Si sont piégés entre et autour de cavités formés après implantation d'hélium et traitement thermique.
Exposé détaillé de modes de réalisation de l'invention
La présente invention s'applique à tout procédé de transfert de couche mettant en œuvre au moins une implantation ionique d'un substrat donneur pour délimiter par un plan de fragilisation une couche à transférer, le collage du substrat donneur implanté sur un substrat receveur et l'application d'un traitement thermique, appelé recuit de détachement, à haute température afin de détacher la couche à transférer du substrat donneur comme dans la technologie Smart Cut™.
Le principe de l'invention consiste à augmenter la température du recuit de détachement nécessaire à la formation et le développement de microcavités ou platelets dans la zone implantée pour provoquer la fracture dans le substrat donneur de manière à augmenter l'énergie de collage à l'interface entre le substrat donneur et le substrat receveur.
Typiquement, le recuit de détachement (également appelé "splitting annealing") dans la technologie SmartCut™ pour des susbtrats de type silicium est réalisé dans une gamme de température comprise entre 400 0C et 500 0C pendant une durée déterminée (le couple température/durée correspond au budget thermique du recuit de détachement).
Dans l'ouvrage "Semiconductor wafer bonding: Science and technology" de Q. Y. Tong and U. Gosele, The Electrochemical Society,
Pennington, NJ, 1999, pages 117-118, les variations de l'énergie de collage en fonction de la température ont été mesurées. Les résultats obtenus par les auteurs de l'ouvrage sont présentés à la figure 1 qui montre les variations dans l'énergie de collage entre deux substrats de silicium en fonction de la température, et ce pour des substrats de silicium assemblés soit par un collage hydrophobe (courbe A), soit par un collage hydrophile (courbe B).
Au vu de la figure 1, on constate ainsi que: pour un collage hydrophile, l'énergie à l'interface de collage est stable autour de 1250 rτύ/m2 à partir de 200 0C puis augmente rapidement au-delà de 800 0C, tandis que pour un collage hydrophobe, l'énergie de collage augmente de façon exponentielle avec la température.
Par conséquent, en augmentant la température du traitement thermique lors du détachement, on renforce l'énergie de collage au moment du transfert de la couche, ce qui permet d'obtenir un détachement d'une couche avec une faible défectivité.
On décrit, en référence aux figures 2A à 2E et 3, un procédé de transfert d'une couche conformément à un mode de réalisation de l'invention.
Dans ce mode de réalisation, le substrat de départ ou substrat donneur 1 est constitué d'une plaque (ou "wafer") de silicium monocristallin recouvert d'une couche isolante d'oxyde de silicium (SiO2) 2 obtenue par oxydation thermique et présentant une épaisseur d'environ 300 Â.
Dans une première étape dite d'implantation d'espèces réactives (étape Sl), le substrat 1 est soumis à un bombardement ionique 10 d'atomes à travers la face plane 7 du substrat comportant la couche (Siθ2) 2. Conformément à l'invention, les atomes implantés sont des atomes choisis parmi des espèces fortement réactives avec les espèces utilisées lors de l'implantation ultérieure réalisée pour le détachement de la couche. A titre d'exemple, avec la technologie Smart Cut™, l'implantation menant au détachement est typiquement réalisée avec des atomes d'hydrogène. Dans ce cas, l'implantation d'espèces réactives peut être réalisée notamment avec des atomes de fluor, d'azote ou de carbone qui sont des espèces connues pour être fortement réactives avec l'hydrogène.
Dans le présent exemple, on considère que le substrat donneur est implanté avec des atomes d'hydrogène lors l'étape d'implantation de détachement et avec des atomes de fluor lors de l'étape d'implantation d'espèces réactives.
Dans l'étape d'implantation d'espèces réactives, des atomes de fluor sont implantés avec une énergie d'implantation comprise entre 80 et 280 keV et une dose d'implantation comprise entre 5.1014 et 2.1015 atomes/cm2. Cette dose est calculée afin d'éviter toute amorphisation du substrat lors de l'implantation. Ces conditions d'implantation permettent de créer, à une profondeur déterminée dans le substrat 1, une couche de concentration d'atomes de fluor 3 (figure 2A). La dose d'implantation est choisie de manière à ce que la concentration des atomes de fluor dans la couche 3 soit suffisante pour créer une couche de défauts auxiliaires au sein du substrat donneur capable de piéger momentanément (i.e. jusqu'à une certaine température) les atomes d'hydrogène implantés ultérieurement lors de l'étape d'implantation de détachement. La dose et l'énergie d'implantation sont également choisies pour que les espèces réactives de la couche 3 se trouvent dans une zone voisine de celle où sera implantée l'hydrogène lors de l'étape d'implantation destinée à former une couche fragilisation pour le détachement. Dans le cas d'une implantation de fluor, les défauts auxiliaires formés sont par exemple des cavités, des défauts de type {113}, des boucles de dislocations ("dislocation loops") qui vont permettre de retenir l'hydrogène implanté par la suite en formant entre les atomes de fluor et d'hydrogène des complexes stables comme des liaisons H-F.
De même, une implantation réalisée avec des atomes de carbone ou d'azote entraîne la formation de défauts auxiliaires dans le substrat donneur et permettra le piégeage des atomes d'hydrogène implantés ultérieurement par formation de complexes stables comme des liaisons C-H ou N-H.
Une fois l'implantation d'espèces réactives terminée, on réalise l'étape d'implantation habituellement mise en œuvre en vue du détachement de la couche du substrat donneur (étape S2, figure 2B).
L'étape d'implantation d'espèces réactives peut être aussi réalisée après l'étape d'implantation de détachement (étape Sl').
Dans cette étape d'implantation de détachement, le substrat 1 est soumis à un bombardement ionique 20 d'ions hydrogène H+. L'implantation des ions H+ est réalisée par exemple avec une énergie d'implantation pouvant être comprise entre 20 et 250 keV et une dose d'implantation comprise environ entre 3.1016 et 6.1016 atomes/cm2, de préférence 5,5.1016 atomes/cm2. La dose d'implantation est choisie de manière à ce que la concentration des ions H+ soit suffisante pour former et développer une couche de microcavités ou de platelets lors d'une étape de traitement thermique ultérieure délimitant, d'une part, une couche ou film mince 4 dans la région supérieure du substrat 1 et, d'autre part, une portion 5 dans la région inférieure du substrat correspondant au reste du substrat 1.
La plupart des ions H+ implantés sont piégés au niveau de la couche 3 en formant des complexes stables avec les atomes de fluor présents dans les défauts de la couche 3. La formation/développement des microcavités ou des platelets responsable du détachement est alors retardé tant que l'hydrogène implanté n'est pas disponible pour pressuriser les microcavités et les platelets. Le substrat donneur 1 est ensuite collé par adhésion moléculaire, sur un substrat receveur 6, par exemple une plaque de silicium (étape S3, figure 2C). Le principe du collage par adhésion moléculaire est bien connu en soi et ne sera pas décrit plus en détail. Pour rappel, le collage par adhésion moléculaire est basé sur la mise en contact direct de deux surfaces, c'est-à-dire sans utilisation d'un matériau spécifique (colle, cire, métal à basse température de fusion, etc.), les forces attractives entre les deux surfaces étant assez élevées pour provoquer l'adhérence moléculaire (collage induit par l'ensemble des forces attractives (forces de Van Der Waals) d'interaction électronique entre atomes ou molécules des deux surfaces à coller).
Comme indiqué précédemment avec la figure 1, l'énergie de collage augmente avec la température notamment en raison du fait qu'au- delà d'une certaine température la majorité des liaisons entre les deux surfaces mises en contact correspond à des liaisons covalentes. Par ailleurs, comme indiqué sur la figure 1, l'énergie de collage augmente plus fortement avec la température, en particulier au-delà de 550 0C, lorsque le collage est un collage hydrophobe, c'est-à-dire lorsque les surfaces des substrats à coller ont été préalablement rendues hydrophobes. Les surfaces de deux substrats, par exemple en silicium, peuvent être rendues hydrophobes en plongeant les deux substrats dans un bain chimique de nettoyage HF (acide fluorhydrique). Les surfaces de collage 7 et 8 respectivement du substrat donneur 1 et du substrat receveur 6 sont donc de préférence traitées préalablement avant le collage de manière à être rendues hydrophobes.
Après l'étape de collage, on procède au détachement de la couche 4 du substrat 1 par application d'un traitement thermique ou recuit de détachement aboutissant au clivage du substrat au niveau de la zone d'implantation des ions H+ (étape S4, figure 2D). Toutefois, à la différence des températures habituellement rencontrées dans les budgets thermiques de recuit détachement au sein des substrats en silicium (températures comprises typiquement entre 400 et 500 0C), la température du budget thermique lors du détachement doit être ici plus importante en raison du piégeage de l'hydrogène par le fluor. En effet, l'application d'un fort budget thermique, c'est-à-dire avec des températures supérieures à 500 0C, est nécessaire pour permettre la dissociation des complexes formés (rupture des liaisons H-F) et rendre l'hydrogène implanté disponible pour la formation et le développement des microcavités/platelets responsables du détachement. L'hydrogène ne peut remplir son rôle d'espèce de détachement sous l'effet d'un traitement thermique qu'une fois dissocié des complexes stables. Puisque l'hydrogène n'est libéré qu'au-delà d'une température supérieure aux températures habituellement utilisées pour provoquer le détachement, les effets responsables de la séparation entre la couche à transférer et le reste du substrat donneur (effet de réarrangement cristallin et de pression dans les microcavités/platelets) sont produits à des températures également plus élevées qu'habituellement (températures supérieures à 500 0C). Par conséquent, le détachement de la couche à transférer intervient à des températures où l'énergie de collage est plus forte qu'avec les températures habituellement rencontrées dans les traitements thermiques de détachement, ce qui permet de minimiser les défauts présents à l'interface de collage, de diminuer, voire d'éliminer, les espèces diffusantes et d'obtenir ainsi une couche transférée de meilleure qualité. Une étape de polissage classique (polissage mécano-chimique) est ensuite réalisée pour éliminer la zone perturbée et pour réduire le niveau de rugosité de la surface fracturée 9 de la couche 4 transférée (étape S5, figure 2E). La zone perturbée peut être également éliminée par une attaque (gravure) chimique sélective éventuellement suivie d'un polissage pour améliorer la rugosité de surface. Un traitement thermique sous hydrogène et/ou argon peut également être réalisé seul ou en combinaison avec le polissage.
Selon une variante de mise en œuvre, l'introduction dans le substrat d'une ou plusieurs espèces ioniques aptes à réagir avec l'espèce implantée pour former des complexes stables comme décrit précédemment peut être réalisée par formation d'une couche dopée dans le substrat donneur. Cette couche peut être déposée ou formée par implantation ionique. Le dépôt de la couche dopée peut être aussi réalisé notamment par dépôt plasma en phase vapeur (PCVD pour "Plasma Chemical Vapor Déposition") ou par dépôt basse pression en phase vapeur (LPCVD pour "Low Pressure Chemical Vapor Déposition"). Dans le cas d'un substrat donneur en silicium, la couche est dopée avec du carbone, du bore, du phosphore, de l'arsenic, de l'indium, ou du gallium. D'une manière générale, les dopants sont choisis en fonction de la nature du substrat donneur à traiter.
Les figures 4A à 4F et 5 illustrent un autre mode de réalisation d'un procédé de transfert de couche conformément à l'invention. Cette mise en œuvre diffère de celle décrite précédemment en ce qu'au lieu de piéger la ou les espèces de détachement implantées par formation de complexes stables, celles-ci sont piégées dans des cavités formées préalablement avant l'étape d'implantation de détachement.
Le substrat de départ 11 est constitué d'une plaque (ou "wafer") de silicium monocristallin recouvert d'une couche d'oxyde de silicium (SiO2) 12 obtenue par oxydation thermique et présentant une épaisseur d'environ 300 Â.
Dans une première étape d'implantation (étape SlO), le substrat 11 est tout d'abord soumis à un bombardement ionique 30 d'ions hélium He à travers la face plane 17 du substrat 11 comportant la couche (SiO2) 11. L'implantation des ions He est réalisée avec une énergie d'impiantation comprise entre 10 et 150 keV, ici de préférence 50 keV et une dose d'implantation comprise entre 1.1016 atomes/cm2 et 5.1017 atomes/cm2, ici de préférence 5.1016 atomes/cm2. Ces conditions d'implantation permettent de créer, à une profondeur déterminée dans le substrat 11, une couche de concentration d'ions He 13 (figure 4A).
Conformément à l'invention, on procède ensuite à une étape de traitement thermique permettant le développement et/ou la formation de défauts sous forme de cavités au niveau de la couche de concentration d'ions He 13 (étape S20, figure 4B). Ces cavités vont constituer des réservoirs pour piéger momentanément l'espèce de détachement implantée dans l'étape suivante. Le traitement thermique est réalisé dans une gamme de température allant de 450 0C à 1000 0C, ici de préférence 600 0C, pendant une durée allant de 30 minutes à 1000 minutes, ici de préférence 1 heure. La figure 6 montre des cavités formées dans un substrat de silicium après une implantation d'hélium réalisée avec une énergie d'implantation d'environ 50 keV et une dose d'implantation d'environ
LlO16 atomes/cm2 suivie d'un traitement thermique effectué à 600 0C pendant 1 heure.
Les conditions d'implantation ainsi que le budget thermique lors de la formation des cavités de piégeage sont déterminés en fonction du type d'implantation (espèce, énergie/dose d'implantation) réalisée pour la formation de la couche de fragilisation en vue du détachement, et ce afin de favoriser au maximum les réactions de piégeage. Ainsi, suivant les types d'implantation à réaliser en vue du détachement, on formera soit une zone épaisse de petites cavités/réservoirs de piégeage, soit une zone plus fine avec des cavités/réservoirs de piégeage plus gros. A titre d'exemple, la figure 7 montre un substrat de silicium comportant une zone épaisse (i.e. environ 200 nm) contenant de nombreuses petites cavités obtenues après une implantation d'hélium réalisée avec une énergie d'implantation d'environ 50 keV et une dose d'implantation d'environ 5.1016 atomes/cm2 suivie d'un traitement thermique effectué à 600 0C pendant 1 heure. L'épaisseur de cette zone ainsi que la taille des cavités sont particulièrement bien adaptées pour le piégeage d'ions d'hydrogène implantés avec une énergie d'implantation d'environ 30 keV et une dose d'implantation d'environ 5,5.1016 atomes/cm2.
Une fois la formation des cavités de piégeage terminée, on réalise l'étape d'implantation habituellement mise en œuvre en vue du détachement de la couche du substrat donneur (étape S30, figure 4C). Dans cette étape d'implantation, le substrat 11 est soumis à un bombardement ionique 40 d'ions hydrogène H+. Dans l'exemple ici considéré, l'implantation des ions H+ est réalisée par exemple avec une énergie d'implantation d'environ 30 keV et une dose d'implantation d'environ 5,5.1016 atomes/cm2. La dose d'implantation est choisie de manière à ce que la concentration des ions H+ soit suffisante pour former et développer une couche de microcavités ou de platelets lors d'une étape de traitement thermique ultérieure délimitant, d'une part, une couche ou film mince 14 dans la région supérieure du substrat 11 et, d'autre part, une portion 15 dans la région inférieure du substrat correspondant au reste du substrat 11.
La plupart des ions H+ implantés sont piégés au niveau de la couche 13 car ils vont facilement se loger dans ou autour des cavités de piégeage créées précédemment. La figure 8 montre une zone d'un substrat de silicium ayant subi, en vue du détachement, une implantation d'ions hydrogène réalisée avec une énergie d'implantation d'environ 30 keV et une dose d'implantation d'environ LlO16 atomes/cm2 et après la formation d'une ligne de cavités formées par implantation d'hélium réalisée avec une énergie d'implantation d'environ 50 keV et une dose d'implantation d'environ LlO16 atomes/cm2 suivie d'un traitement thermique effectué à 600 0C pendant 1 heure. On remarque que les ions d'hydrogène sont piégés dans et entre les cavités.
Le substrat donneur 1 est ensuite collé par adhésion moléculaire, sur un substrat receveur 16, par exemple une plaque de silicium (étape S40, figure 4D). Les surfaces de collage 17 et 18 respectivement du substrat donneur 11 et du substrat receveur 16 sont de préférence traitées préalablement avant le collage de manière à être rendues hydrophobes. Après l'étape de collage, on procède au détachement de la couche 14 du substrat 11 par application d'un traitement thermique de détachement aboutissant au clivage du substrat au niveau de la zone d'implantation des ions H+ (étape S50, figure 4E).
Toutefois, à la différence des températures habituellement rencontrées dans les budgets thermiques de recuit de détachement au sein des substrats de type silicium (températures comprises typiquement entre 400 et 500 0C), la température du budget thermique lors du détachement doit être ici plus importante pour libérer l'hydrogène piégé dans les cavités. L'application d'un fort budget thermique, c'est-à-dire avec des températures supérieures à 500 0C, nécessaire pour rendre l'hydrogène implanté disponible pour la formation et le développement des microcavités/platelets responsables du détachement, permet de renforcer l'énergie de collage au moment du détachement. En effet, puisque l'hydrogène n'est libéré qu'au-delà d'une température supérieure aux températures habituellement utilisées pour provoquer le détachement, les effets responsables de la séparation entre la couche à transférer et le reste du substrat donneur (effet de réarrangement cristallin et de pression dans les microcavités/platelets) sont produits à des températures également plus élevées qu'habituellement (températures supérieures à 500 0C). Par conséquent, le détachement de la couche à transférer intervient à des températures où l'énergie de collage est plus forte qu'avec les températures habituellement rencontrées dans les traitements thermiques de détachement, ce qui permet de minimiser les défauts présents à l'interface de collage, de diminuer, voire d'éliminer, les espèces diffusantes et d'obtenir ainsi une couche transférée de meilleure qualité.
Une étape de polissage classique (polissage mécano-chimique) est ensuite réalisée pour éliminer la zone perturbée et pour réduire le niveau de rugosité de la surface fracturée 19 de la couche 14 transférée (étape S60, figure 4F). La zone perturbée peut être également éliminée par une attaque (gravure) chimique sélective éventuellement suivie d'un polissage pour améliorer la rugosité de surface et/ou d'un traitement thermique sous hydrogène et/ou argon.
En augmentant la température nécessaire pour provoquer la fracture dans le substrat donneur implanté, le procédé de l'invention permet de renforcer l'énergie de collage au moment du détachement et de minimiser les défauts dans l'hétérostructure résultante. Le procédé de l'invention est notamment avantageux lors de la fabrication des hétérostructures de type SeOI (semi-conducteur sur isolant) et en particulier celles comportant une couche d'oxyde isolante fine (UTBOX, "Ultra Thin Buried Oxyde Layer") ou même ne comprenant pas de couche d'oxyde, comme par exemple les hétérostructures de type DSB ("Direct Silicon Bonding").
En effet, le piégeage temporaire des espèces implantées pour le détachement va modifier les vitesses des flux de dégazage. En retenant le maximum de gaz dans le substrat avant le détachement, on diminue d'autant les flux "préjudiciables" à la qualité de l'interface de collage.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de transfert d'une couche (4; 14) d'un substrat donneur (1; 11) sur un substrat receveur (6; 16) comprenant: a) une étape d'implantation ionique d'au moins une espèce dans le substrat donneur (1; 11) destinée à former une couche de microcavités ou platelets, b) une étape de collage de la face (7; 17) du substrat donneur (1; 11) avec une face (8; 18) du substrat receveur (6; 16) par adhésion moléculaire, c) une étape de détachement à haute température pour détacher la couche (4; 14) en contact avec le substrat receveur (6; 16) par clivage au niveau de la couche de microcavités ou platelets formée dans le substrat donneur (1; 11), caractérisé en ce qu'il comprend en outre, une étape de traitement du substrat donneur (1; 11) pour piéger les atomes de l'espèce implantée lors de l'étape a) jusqu'à une température de libération atteinte lors de l'étape c) de manière à bloquer ou limiter la formation des microcavités ou platelets en dessous de la température de libération.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de libération est d'au moins 500 0C.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape de traitement est réalisée avant ou après l'étape a).
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étape de traitement est réalisée par introduction dans le substrat donneur (1) d'au moins une espèce ionique apte à réagir avec l'espèce implantée lors de l'étape a).
5. Procédé selon la revendications 4, caractérisé en ce que l'introduction dans le substrat donneur (1) d'au moins une espèce ionique apte à réagir avec l'espèce implantée lors de l'étape a) est réalisée par implantation ionique.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'espèce apte à réagir avec l'espèce implantée lors de l'étape a) est choisie au moins parmi le fluor, l'azote et le carbone.
7. Procédé selon la revendications 4, caractérisé en ce que l'introduction dans le substrat donneur (1) d'au moins une espèce ionique apte à réagir avec l'espèce implantée lors de l'étape a) est réalisée par formation d'une couche dopée dans le substrat donneur.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la formation de la couche dopée est réalisée par dépôt ou par implantation ionique.
9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la couche dopée comprend au moins une espèce ionique choisie parmi le carbone, le bore, le phosphore, l'arsenic, l'indium et le gallium.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que l'espèce implantée lors de l'étape a) est de l'hydrogène.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que, lors de l'étape c), le traitement thermique est réalisé à une température comprise entre 550 0C et 800 0C environ.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étape de traitement est réalisée par formation de défauts dans le substrat donneur (1).
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé la formation des défauts est réalisée par une implantation ionique d'hélium dans le substrat donneur (11), ladite implantation étant suivie d'un traitement thermique pour former des cavités dans la zone implanté avec l'hélium.
14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce l'implantation ionique d'hélium est réalisée avec une énergie d'implantation comprise entre 10 et 150 keV et une dose d'implantation comprise entre 1.1016 atomes/cm2 et 5.1017 atomes/cm2.
15. Procédé selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce le traitement thermique de formation des cavités est réalisé à une température comprise entre 4500C et 10000C pendant une durée comprise entre 30 minutes et 1000 minutes.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que, lors de l'étape c), le traitement thermique est réalisé à une température de 700 0C environ pendant une durée de 30 minutes environ.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que l'espèce implantée lors de l'étape a) est choisie au moins parmi l'hydrogène et l'hélium.
18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que, dans l'étape b), les surfaces de collage (7; 17; 8; 18) du substrat donneur (1; 11) et du substrat receveur (6; 16) sont préalablement traitées de manière à les rendre hydrophobes.
19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que le substrat donneur (1; 11) est en matériau semi- conducteur.
20. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que le substrat donneur (1; 11) est en matériau ferromagnétique et/ou piézoélectrique et/ou pyroélectrique.
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