WO2014207346A1 - Procede de fabrication d'une structure composite - Google Patents

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Nadia Ben Mohamed
Eric MAZE
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    • H10W10/10—Isolation regions comprising dielectric materials
    • H10W10/181—Semiconductor-on-insulator [SOI] isolation regions, e.g. buried oxide regions of SOI wafers

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a composite structure.
  • a method of manufacturing a composite structure known from the state of the art and illustrated in FIG. 1, comprises the following steps:
  • a donor substrate 1 comprising a first surface 2, and a support substrate 3;
  • the main disadvantage of this manufacturing method of the state of the art is that the thinned useful layer 6 has a nonuniformity in thickness.
  • the thinning step e) generally comprises a partial oxidation step of the useful layer 5, followed by removal of the oxidized portion of the useful layer 5.
  • the oxidation partially oxidizes the useful layer 5 to a non-uniform thickness.
  • This results in a variation in the thickness of the thinned thin layer 6 after removal of the oxidized portion of the useful layer 5.
  • the thickness variation of the thinned useful layer 6 can exceed 10 ⁇ at the end of the set of steps.
  • An object of the invention is therefore to propose a method of manufacturing structures allowing better control of the thickness variation of the thinned useful layer 6.
  • the present invention aims to overcome the aforementioned drawbacks, and relates to a method of manufacturing a composite structure comprising the following steps:
  • step b) is performed so that the useful layer transferred on the support substrate has a thickness profile at the end of step d), said thickness profile being adapted to compensate, at least in part, the nonuniformity of consumption of the useful layer in step e), the thinned useful layer being of substantially uniform thickness at the end of all the steps.
  • the non-uniformity of the thickness profile of the useful layer at the end of step d) makes it possible to compensate for the nonuniformity of the thinning step.
  • the nonuniformity of the useful thinned layer at the end of step e) is improved.
  • the thinning step e) comprises a step of oxidizing the useful layer so as to form an oxide layer, the thickness of the oxide layer being non-uniform, and followed by a step of removing said oxide layer.
  • step b) is performed by implantation of at least one of the two H or He species.
  • the implantation of at least one of the two hydrogen or helium species makes it possible to form an embrittlement zone.
  • the total dose of the implanted species is non-uniform over the extent of the zone of weakness, the nonuniformity of the dose of the implanted species being adapted to generate the thickness profile of the layer useful to the outcome of step d) fracture.
  • the implantation conditions make it possible to define an embrittlement zone, and especially to condition the thickness profile of the useful layer at the end of step d).
  • step d) An excess thickness of a portion of the useful layer after step d) is observed, when said portion is written, at the end of step b), in a region of the weakening zone having a dose of species implanted in excess of the rest of the weakening zone.
  • the dose of implanted hydrogen ions is uniform over the entire extent of the zone of weakness, and the dose of implanted helium ions is non-uniform over the extent of the zone of weakness.
  • the thickness profile of the useful layer at the end of step d) is conditioned by the dose of helium ions implanted.
  • the oxide layer formed during step e) has a greater thickness in its central part, and less important going towards the annular periphery of the layer. of oxide, and the dose of implanted species is greater in the central part of the weakening zone and less important towards the annular periphery of the weakening zone.
  • the overdose of species implanted in the central part of the weakening zone makes it possible to obtain a curved thickness profile of the useful layer at the end of step d).
  • the thickness profile of the thinned useful layer is substantially constant over the entire extent of the thinned layer.
  • the oxide layer formed during step e) has a smaller thickness in its central part, and greater towards the annular periphery of the oxide layer, and the dose species implanted during step b) is less important in the central part of the weakening zone and larger towards the annular periphery of the weakening zone.
  • the overdose of implanted species of the annular periphery of the embrittlement zone makes it possible to obtain a profile of the dish thickness of the useful layer at the end of step d).
  • the thickness profile of the thinned useful layer is substantially constant over the entire extent of the thinned layer.
  • step b) is executed in two steps:
  • the second implantation energy is greater than 90% of the first implantation energy, the dose of the first implantation of species and the dose of the second implantation of species are complementary over any the extent of the zone of weakness, the nonuniformity of the dose of the first implantation of species and the nonuniformity of the dose of the second implantation of species being adapted to generate the thickness profile of the layer useful to the outcome of step d) fracture.
  • the species implanted during the first implantation and the second implantation comprise hydrogen ions.
  • a dielectric layer is formed on the first surface of the donor substrate before step b).
  • the dielectric layer comprises at least one of the following materials: silicon oxide, silicon nitride
  • the donor substrate comprises at least one of the following materials: silicon, germanium, germanium silicon alloy.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a method of manufacturing a composite structure according to the known techniques of the prior art
  • FIGS. 2 and 3 are diagrammatic representations of a method of manufacturing a composite structure according to the invention
  • FIGS. 4a and 4b are schematic representations of an implantation step and a fracture step according to the invention
  • FIG. 5 represents a thickness profile of a useful layer according to a diameter obtained after the fracture step according to the invention
  • FIG. 6 represents a thickness profile of a useful layer according to a diameter obtained after the fracture step according to the invention.
  • Figures 2 and 3 schematically illustrate a method of manufacturing a composite structure.
  • Step a) of the method of manufacturing the composite structure comprises providing a donor substrate 10 comprising a first surface 20 and a support substrate 30.
  • the donor substrate 10 provided in step a) may comprise one of the materials chosen from: silicon, germanium, germanium silicon alloy.
  • the support substrate 30 provided in step a) may consist of all the materials commonly used in the microelectronics, optics, optoelectronics and photovoltaics industry.
  • the support substrate 30 comprises at least one of the materials selected from the following group: silicon, silicon carbide, silicon germanium, glass, a ceramic, a metal alloy.
  • a dielectric layer 53 may be formed on the first surface 20 of the donor substrate 10 between step a) and step b).
  • the dielectric layer 53 may comprise at least one of the following materials: silicon oxide, silicon nitride.
  • the dielectric layer 53 may be formed by thermal oxidation of a donor substrate 10, the donor substrate 10 comprising silicon.
  • the thermal oxidation can be carried out at a temperature between 800 ° -1100 ° C under an oxidizing atmosphere.
  • the thermal oxidation of a donor substrate 10 comprising silicon at a temperature of 800 ° C., under an oxygen atmosphere, makes it possible to to form a layer of silicon oxide.
  • Low pressure chemical vapor deposition (“Low Pressure Chemical Vapor Deposition") and Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition techniques are also techniques. of choice for forming the dielectric layer 53 comprising silicon oxide or silicon nitride.
  • Step b) of the method of manufacturing the composite structure comprises the formation of a weakening zone 40 in the donor substrate 10.
  • the weakening zone 40 delimits with the first surface 20 of the donor substrate 10, a useful layer 50.
  • the useful layer 50 is intended to be transferred onto the support substrate 30.
  • the weakening zone 40 is formed by implantation of at least one of the species chosen from: hydrogen ions, helium ions. The formation of the weakening zone 40 will be detailed later in the description of the different embodiments.
  • Step b) is then followed by a step c) comprising the assembly of the support substrate 30 and the donor substrate 10.
  • the assembly may, for example be performed by molecular bonding.
  • the assembly step can be carried out by bringing the first surface 20 of the donor substrate into contact with the support substrate 30.
  • the assembly step can be performed by contacting the dielectric layer 53 and the support substrate 30.
  • Step c) is followed by a step d) of fracture of the donor substrate 30 according to the zone of weakness.
  • the useful layer 50 is transferred onto the support substrate 30.
  • the dielectric layer 53 has been formed on the first surface 20 of the donor substrate 10, and at the end of FIG. d) fracture step, the useful layer 50 and the dielectric layer 53 are transferred on the support substrate 30.
  • the step d) fracture can be performed by a heat treatment at a temperature between 300-500 ° C for a period of between 30 minutes and 24 hours.
  • Step d) is followed by a step e) of thinning of the useful layer 50.
  • the thinning of the useful layer 50 leads to a thinned useful layer 51. Thinning consumes a non-uniform thickness of the useful layer 50.
  • Thinning of the useful layer 50 is advantageously carried out by a sacrificial oxidation step. It is a surface treatment that aims to create an oxide layer 52 on the surface and in the upper part of the useful layer 50.
  • the oxidation of a useful layer comprising silicon is thus generally practiced between 800-1000 ° C.
  • This process may use in particular water vapor (this is called wet oxidation), or even dioxygen (this is called dry oxidation).
  • the corresponding reactions are:
  • the wet oxidation is faster but makes it possible to obtain an oxide of a quality lower than that obtained by the dry oxidation.
  • the oxidizing gas may also contain a few percent of hydrochloric acid (HCI) to remove any metal ions that may be present.
  • HCI hydrochloric acid
  • the oxide layer 52 is formed both by a consumption of the useful layer 50 and by the oxygen supplied by the ambient gas.
  • the oxidation time is generally between a few minutes and a few hours.
  • the overall thickness of the oxide layer 52 formed is generally between 50 and 500 nm, typically between 100 and 400 nm.
  • the thermal oxidation of silicon is often practiced using furnaces comprising one or more tubes, in which the structures composites to be treated are loaded.
  • furnaces comprising one or more tubes, in which the structures composites to be treated are loaded.
  • the oxidation is more uniform if it is performed in vertical tube furnaces, in which the composite structures are placed horizontally, one below the other.
  • the thickness of the oxide layer 52 is not uniform throughout its entire extent
  • an oxide layer 52 whose thickness in its central portion is of the order of 1500 ⁇ will have a thickness in its part peripheral ring of the order of 1485 ⁇ and such a layer whose thickness in its central portion is of the order of 500 ⁇ will have a thickness in its peripheral annular portion of the order of 485 ⁇ .
  • Such variations in thickness can be observed for example using an ellipsometer.
  • the removal of the oxide layer 52 or "sacrificial deoxidation" is a generally wet etching.
  • the agent providing the chemical etching is based on hydrofluoric acid (HF). After the removal of the silicon oxide layer 52, a thinned useful layer 51 made of silicon is obtained.
  • HF hydrofluoric acid
  • step b) of formation of the embrittlement zone 40 there is for example the partial pressure and the flow of the various gases injected during the oxidation, the possible temperature ramp during oxidation (at the origin of a possible temperature gradient between the edge and the center of the plates) or the position in the furnace.
  • Step b) is executed so that the useful layer 50 transferred on the support substrate 20 has a profile of thickness at the end of step d), said thickness profile being adapted to compensate, at least in part, the non-uniformity of consumption of the useful layer 50 during step e), the thinned useful layer 51 being of substantially uniform thickness at the end of all the steps.
  • the thickness profile of the useful layer 50, at the end of the fracture step d), is adapted to compensate for the nonuniformity of a sacrificial oxidation step performed in step e).
  • the thinned useful layer 51 has a substantially constant thickness over its extent.
  • the formation of the weakening zone 40 is carried out by implantation of at least one of the species chosen from: hydrogen ions, helium ions.
  • the total dose of the implanted species is non-uniform over the extent of the embrittlement zone 40, and the nonuniformity of the dose of the implanted species is adapted to generate the non-uniform thickness profile of the useful layer 50 at the end of step d) fracture.
  • implanted dose of species is meant the amount of implanted species per unit area of embrittlement zone 40.
  • the dose of implanted species is measured in atoms per cm 2 .
  • the implantation step is advantageously performed by single-implant implant equipment ("Single wafer implant" according to English terminology).
  • Single wafer implant In contrast to batch wafer implant equipment, an equipment implantation mono substrate allows to implement a non-uniform dose of species throughout the extent of the weakening zone 40.
  • the thickness profile of the useful layer 50 at the end of the fracture step depends on the uniformity of the dose of species implanted over the entire extent of the weakening zone 40.
  • a region A of the weakened zone 40 has an overdose of implanted species with respect to the remainder of the embrittlement zone 40.
  • the portion 54 of the useful layer 50 inscribed in said region A in step b), will present, at the end of step d), a greater thickness than the rest of the useful layer 50.
  • FIG. 5 illustrates the thickness profile of a transferred silicon layer on a support substrate.
  • the implantation conditions are as follows:
  • the useful silicon layer 50 has a greater thickness in the center than in its annular peripheral zone.
  • the thickness profile of the useful layer is then called curved profile.
  • the oxide layer 52 formed during the thinning step e) has a curved thickness profile, it is advantageous to implant a larger dose of species in the central part of the zone. embrittlement (40) and less important towards the annular periphery of the weakening zone (40).
  • the dose of species implanted in the central part of the weakening zone 40 may be greater between 2 to 9%, preferably between 3 and 6%, at the dose of species implanted in the annular periphery of the weakening zone.
  • the thinned useful layer 51 will have an improved thickness uniformity compared to the state of the art. Improved uniformity of thickness means lower thickness variations.
  • the oxide layer 52, formed during the thinning step e) has a profile of thickness in a bowl
  • the dose of species implanted in the annular periphery of the weakening zone 40 may be greater between 2 to 9%, preferably between 3 and 6%, at the dose of species implanted in the central part of the weakening zone 40.
  • the thinned useful layer 51 will have an improved uniformity of thickness compared with the state of the art. Improved uniformity of thickness means lower thickness variations.
  • the dose of hydrogen ions implanted in the weakening zone 40 is constant over the entire extent of the embrittlement zone 40, and the dose of implanted helium ions is non-uniform over the extent of the zone.
  • the thickness profile of the useful layer is conditioned by the non-uniformity of dose of the implanted helium ions.
  • step b) is executed in two steps: - First implantation of species, according to a first implantation energy, the dose of the first implantation of species being non-uniform over the extent of the weakening zone 40
  • the second implantation energy is greater than 90% of the first implantation energy.
  • the dose of the first implantation of species and the dose of the second implantation of species are complementary over the whole extent of the weakening zone 40.
  • the nonuniformity of the dose of the first implantation of species and the nonuniformity the dose of the second species implantation are adapted to generate the thickness profile of the useful layer 50 at the end of step d) of fracture.
  • the dose of implanted species is measured in atoms per cm 2 .
  • the implantation step is advantageously performed by single-implant implant equipment ("Single wafer implant" according to English terminology).
  • Single wafer implant In contrast to batch wafer implant equipment, a single substrate implantation equipment allows to implant a non-uniform dose of species over the entire extent of the weakening zone. .
  • the first implantation is an implantation of hydrogen ions with an implantation energy equal to 24.07 keV.
  • the dose of hydrogen ions implanted during the first implantation is equal to about 1 ⁇ 10 16 atoms / cm 2 on a central part of the embrittlement zone 40 of diameter 200 mm, and about 0.5 ⁇ 10 16 to 0.6 ⁇ 10 16 atoms. / cm 2 over the rest of the weakening zone 40.
  • the second implantation is an implantation of hydrogen ions at an implantation energy equal to 23.08 keV.
  • the dose of hydrogen ion during the second implantation is equal to 0.5 ⁇ 10 16 to 0.6 ⁇ 10 16 atoms / cm 2 on a central portion of the weakening zone 40 of 200mnn diameter, and around 1 x 10 16 atoms / cm 2 over the rest of the weakening zone 40. It can be seen then that after the fracture step d), as represented in FIG. 6, the useful layer 52 in silicon has a smaller thickness in the center than in its annular peripheral zone. The thickness profile of the useful layer is then called a cup profile.
  • the nonuniformity of step e) thinning can be determined prior to the implementation of the method according to the invention.
  • a thinning step e) performed by sacrificial oxidation this may consist of thermally oxidizing a donor substrate 10 or a useful layer 50, and measuring the thickness profile thus formed with a layer thickness measuring equipment, for example an ellipsometer. Knowing the thickness profile of the oxide layer formed during the thinning step, then makes it possible to adjust the weakening zone forming step for the production of composite structures by volume.
  • thermal oxidation furnaces have a relatively good thermal stability today. Therefore, a repeated thermal oxidation step will produce oxide layers still having substantially the same thickness profile.
  • the method according to the present invention will then be advantageously used for the volume production of composite structures of silicon-on-insulator type.
  • the process according to the invention makes it possible to manufacture composite structures, and more particularly silicon on insulator structures, for which the thinned-on useful layer 51 has reduced variations in thicknesses compared with the state of the art. .

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une structure composite comprenant les étapes suivantes : a) Fournir un substrat donneur (10) comprenant une première surface (20), et un substrat support (30); b) Former une zone de fragilisation (40) dans le substrat donneur (10), la zone de fragilisation (40) délimitant, avec la première surface (20) du substrat donneur (10), une couche utile (50); c) Assembler le substrat support (30) et le substrat donneur (10); d) Fracturer le substrat donneur selon la zone de fragilisation; e) Amincir la couche utile (50) de sorte à former une couche utile amincie (51). L'étape b) est exécutée de sorte que la couche utile (50) présente un profil d'épaisseur adapté pour compenser la non uniformité de consommation de la couche utile (50) lors de l'étape e).

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE STRUCTURE COMPOSITE DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une structure composite.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
Un procédé de fabrication d'une structure composite, connu de l'état de la technique et illustré à la figure 1 , comprend les étapes suivantes :
a) Fournir un substrat donneur 1 comprenant une première surface 2, et un substrat support 3 ;
b) Former une zone de fragilisation 4 dans le substrat donneur 1 , la zone de fragilisation 4 délimitant, avec la première surface 2 du substrat donneur 1 , une couche utile 5 ;
c) Assembler le substrat support 3 et le substrat donneur 1 ;
d) Fracturer le substrat donneur selon la zone de fragilisation, de sorte à transférer la couche utile 5 sur le substrat support 3 ;
e) Amincir la couche utile 5 de sorte à obtenir une couche utile amincie 6.
Cependant, le principal inconvénient lié à ce procédé de fabrication de l'état de la technique est que la couche utile amincie 6 présente une non uniformité en épaisseur.
En effet, l'étape e) d'amincissement comprend généralement une étape d'oxydation partielle de la couche utile 5, suivie d'un retrait de la partie oxydée de la couche utile 5.
L'oxydation oxyde partiellement la couche utile 5 sur une épaisseur non uniforme. Ainsi, cela se traduit par une variation d'épaisseur de la couche utile amincie 6 après retrait de la partie oxydée de la couche utile 5. La variation d'épaisseur de la couche utile amincie 6 peut excéder 10 Â à l'issue de l'ensemble des étapes.
Ceci est notamment dommageable pour la fabrication de structures du type Silicium sur isolant pour lesquelles un contrôle de la variation d'épaisseur de la couche de silicium à +/- 5 Â est requit. Le contrôle de l'épaisseur de la couche utile amincie 6 à l'issue de l'ensemble des étapes du procédé de fabrication reste donc très difficile.
Un but de l'invention est donc de proposer un procédé de fabrication de structures permettant un meilleur contrôle de la variation d'épaisseur de la couche utile amincie 6.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités, et concerne un procédé de fabrication d'une structure composite comprenant les étapes suivantes :
a) Fournir un substrat donneur et un substrat support, le substrat donneur comprenant une première surface ;
b) Former une zone de fragilisation dans le substrat donneur, la zone de fragilisation délimitant, avec la première surface du substrat donneur, une couche utile ;
c) Assembler le substrat support et le substrat donneur ;
d) Fracturer le substrat donneur selon la zone de fragilisation, de sorte à transférer la couche utile sur le substrat support ;
e) Amincir la couche utile de sorte à former une couche utile amincie, l'amincissement consommant une épaisseur non uniforme de la couche utile.
ledit procédé de fabrication étant remarquable en ce que l'étape b) est exécutée de sorte que la couche utile transférée sur le substrat support présente un profil d'épaisseur à l'issue de l'étape d), ledit profil d'épaisseur étant adapté pour compenser, au moins en partie, la non uniformité de consommation de la couche utile lors de l'étape e), la couche utile amincie étant d'épaisseur sensiblement uniforme à l'issue de l'ensemble des étapes.
Ainsi, la non uniformité du profil en épaisseur de la couche utile à l'issue de l'étape d) permet de compenser la non uniformité de l'étape d'amincissement. De fait, la non uniformité de la couche utile amincie à l'issue de l'étape e) est améliorée. Selon un mode de mise en œuvre, l'étape e) d'amincissement comprend une étape d'oxydation de la couche utile de sorte à former une couche d'oxyde, l'épaisseur de la couche d'oxyde étant non uniforme, et suivie d'une étape de retrait de ladite couche d'oxyde.
Selon un mode de mise en œuvre, l'étape b) est exécutée par implantation d'au moins une des deux espèces H ou He.
Ainsi, l'implantation d'au moins une des deux espèces hydrogène ou hélium permet de former une zone de fragilisation.
Selon un mode de mise en œuvre, la dose totale des espèces implantées est non uniforme sur l'étendue de la zone de fragilisation, la non uniformité de la dose des espèces implantées étant adaptée pour générer le profil d'épaisseur de la couche utile à l'issue de l'étape d) de fracture.
Ainsi, les conditions d'implantation permettent de définir une zone de fragilisation, et surtout de conditionner le profil d'épaisseur de la couche utile à l'issue de l'étape d).
En effet, la Demanderesse a constaté, de manière inattendue, que l'implantation d'une dose totale d'espèces non uniforme sur toute l'étendue de la zone de fragilisation permet de moduler les variations d'épaisseur de la couche utile à l'issue de l'étape d). Une épaisseur excédentaire d'une partie de la couche utile après l'étape d) est observée, lorsque ladite partie est inscrite, à l'issue de l'étape b), dans une région de la zone de fragilisation présentant une dose d'espèces implantées en excès par rapport au reste de la zone de fragilisation.
Selon un mode de mise en œuvre, la dose d'ions hydrogène implantés est uniforme sur toute l'étendue de la zone de fragilisation, et la dose d'ions hélium implantés est non uniforme sur l'étendue de la zone de fragilisation.
Ainsi, le profil d'épaisseur de la couche utile à l'issue de l'étape d) est conditionné par la dose d'ions hélium implantés.
Selon un mode de mise en œuvre, la couche d'oxyde formée lors de l'étape e) présente une épaisseur plus importante dans sa partie centrale, et moins importante en allant vers la périphérie annulaire de la couche d'oxyde, et la dose d'espèces implantées est plus importante dans la partie centrale de la zone de fragilisation et moins importante en allant vers la périphérie annulaire de la zone de fragilisation.
Ainsi, la surdose d'espèces implantées dans la partie centrale de la zone de fragilisation permet d'obtenir un profil d'épaisseur bombé de la couche utile à l'issue de l'étape d). Par conséquent, le profil d'épaisseur de la couche utile amincie est sensiblement constant sur toute l'étendue de la couche amincie.
Selon un mode de mise en œuvre, la couche d'oxyde formée lors de l'étape e) présente une épaisseur moins importante dans sa partie centrale, et plus importante en allant vers la périphérie annulaire de la couche d'oxyde, et la dose d'espèces implantées lors de l'étape b) est moins importante dans la partie centrale de la zone de fragilisation et plus importante en allant vers la périphérie annulaire de la zone de fragilisation.
Ainsi, la surdose d'espèces implantées de la périphérie annulaire de la zone de fragilisation permet d'obtenir un profil d'épaisseur en cuvette de la couche utile à l'issue de l'étape d). Par conséquent, le profil d'épaisseur de la couche utile amincie est sensiblement constant sur toute l'étendue de la couche amincie.
Selon un mode de mise en œuvre, l'étape b) est exécutée en deux étapes :
- Première implantation d'espèces, selon une première énergie d'implantation, la dose de la première implantation d'espèces étant non uniforme sur l'étendue de la zone de fragilisation
- Deuxième implantation d'espèces selon une deuxième énergie d'implantation inférieure à la première énergie d'implantation, la dose de la deuxième implantation d'espèces étant non uniforme sur l'étendue de la zone de fragilisation
La deuxième énergie d'implantation est supérieure à 90% de la première énergie d'implantation, la dose de la première implantation d'espèces et la dose de la deuxième implantation d'espèces sont complémentaires sur toute l'étendue de la zone de fragilisation, la non uniformité de la dose de la première implantation d'espèces et la non uniformité de la dose de la deuxième implantation d'espèces étant adaptées pour générer le profil d'épaisseur de la couche utile à l'issue de l'étape d) de fracture.
Selon un mode de mise en œuvre, les espèces implantées lors de la première implantation et de la deuxième implantation comprennent des ions hydrogène.
Selon un mode de mise en œuvre, une couche diélectrique est formée sur la première surface du substrat donneur avant l'étape b).
Selon un mode de mise en œuvre, la couche diélectrique comprend au moins un des matériaux suivant : oxyde de silicium, nitrure de silicium
Selon un mode de mise en œuvre, le substrat donneur comprend au moins un des matériaux suivant : silicium, germanium, alliage de silicium germanium.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre des modes de mise en œuvre d'un procédé de fabrication d'une structure composite selon l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- Les figures 1 est une représentation schématique d'un procédé de fabrication d'une structure composite selon les techniques connues de l'art antérieur ;
- Les figures 2 et 3 sont des représentations schématiques d'un procédé de fabrication d'une structure composite selon l'invention ; - Les figures 4a et 4b sont des représentations schématiques d'une étape d'implantation et d'une étape de fracture selon l'invention ;
- La figure 5 représente un profil d'épaisseur d'une couche utile selon un diamètre obtenue après l'étape de fracture selon l'invention ;
- La figure 6 représente un profil d'épaisseur d'une couche utile selon un diamètre obtenue après l'étape de fracture selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION
Pour les différents modes de mise en œuvre, les mêmes références seront utilisées pour des éléments identiques ou assurant la même fonction, par souci de simplification de la description.
Les figures 2 et 3 illustrent de manière schématique un procédé de fabrication d'une structure composite.
Pour faciliter l'illustration, les épaisseurs respectives des différentes couches n'ont pas été représentées à l'échelle.
L'étape a) du procédé de fabrication de la structure composite comprend la fourniture d'un substrat donneur 10 comprenant une première surface 20, et un substrat support 30.
Le substrat donneur 10 fourni à l'étape a) peut comprendre un des matériaux choisi parmi : silicium, germanium, alliage de silicium germanium.
Le substrat support 30 fourni à l'étape a) peut être constitué de tous les matériaux utilisés habituellement dans l'industrie de la microélectronique, de l'optique, l'optoélectronique et le photovoltaïque.
Notamment, le substrat support 30 comprend au moins un des matériaux sélectionné dans le groupe suivant: silicium, carbure de silicium, silicium germanium, le verre, une céramique, un alliage métallique.
Selon un mode de réalisation avantageux, tel qu'illustré à la figure 3, une couche diélectrique 53 peut être formée sur la première surface 20 du substrat donneur 10 entre l'étape a) et l'étape b).
La couche diélectrique 53 peut comprendre au moins un des matériaux suivant : oxyde de silicium, nitrure de silicium.
Par exemple, la couche diélectrique 53 peut être formée par oxydation thermique d'un substrat donneur 10, le substrat donneur 10 comprenant du silicium. L'oxydation thermique peut être exécutée à une température comprise entre 800°-1 100°C, sous une atmosphère oxydante. Par exemple, l'oxydation thermique d'un substrat donneur 10 comprenant du silicium, à une température de 800°C, sous une atmosphère d'oxygène, permet de former une couche d'oxyde de silicium. Les techniques de dépôt en phase vapeur à basse pression (« Low pressure chemical vapor déposition » selon la terminologie anglaise), et de dépôt en phase vapeur assisté par plasma (« Plasma enhanced chemical vapor déposition » selon la terminologie anglaise) sont également des techniques de choix pour former la couche diélectrique 53 comprenant de l'oxyde de silicium ou du nitrure de silicium.
L'étape b) du procédé de fabrication de la structure composite comprend la formation d'une zone de fragilisation 40 dans le substrat donneur 10. La zone de fragilisation 40 délimite avec la première surface 20 du substrat donneur 10, une couche utile 50. La couche utile 50 est destinée à être transférée sur le substrat support 30. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, la zone de fragilisation 40 est formée par implantation d'au moins une des espèces choisie parmi : les ions hydrogène, les ions hélium. La formation de la zone de fragilisation 40 sera détaillée par la suite lors de la description des différents modes de réalisation.
L'étape b) est alors suivie d'une étape c) comprenant l'assemblage du substrat support 30 et du substrat donneur 10. L'assemblage peut, par exemple être exécuté par collage moléculaire. Selon un premier mode de réalisation, illustré à la figure 2, l'étape d'assemblage peut être réalisée par mise en contact de la première surface 20 du substrat donneur avec le substrat support 30. De manière alternative, tel qu'illustré à la figure 3, lorsque la couche diélectrique 53 est formée sur la première surface 20 du substrat donneur 10, l'étape d'assemblage peut être réalisée par mise en contact de la couche diélectrique 53 et du substrat support 30.
L'étape c) est suivie d'une étape d) de fracture du substrat donneur 30 selon la zone de fragilisation. A l'issue de l'étape de fracture la couche utile 50 est transférée sur le substrat support 30. De manière avantageuse, la couche diélectrique 53 a été formée sur la première surface 20 du substrat donneur 10, et à l'issue de l'étape d) de fracture, la couche utile 50 et la couche diélectrique 53 sont transférées sur le substrat support 30. L'étape d) de fracture peut être exécutée par un traitement thermique à une température comprise entre 300-500°C pendant une durée comprise entre 30minutes et 24 heures.
L'étape d) est suivie d'une étape e) d'amincissement de la couche utile 50. L'amincissement de la couche utile 50 conduit à une couche utile amincie 51 . L'amincissement consomme une épaisseur non uniforme de la couche utile 50.
L'amincissement de la couche utile 50 est avantageusement exécuté par une étape de d'oxydation sacrificielle. Il s'agit d'un traitement de surface qui vise à créer une couche d'oxyde 52 sur la surface et dans la partie supérieure de la couche utile 50. L'oxydation d'une couche utile comprenant du silicium est ainsi généralement pratiquée entre 800-1000°C.
Ce procédé peut utiliser notamment de la vapeur d'eau (on parle alors d'oxydation humide), ou encore du dioxygène (on parle alors d'oxydation sèche). Les réactions correspondantes sont :
Si + 2 H2O -» SiO2 + 2H2 (oxydation humide)
Si + 02 -» SiO2 (oxydation sèche)
L'oxydation humide est plus rapide mais permet d'obtenir un oxyde d'une qualité inférieure à celui obtenu par l'oxydation sèche.
Le gaz oxydant peut aussi contenir quelques pourcents d'acide chlorhydrique (HCI), afin de supprimer les ions métalliques qui peuvent s'y trouver.
La couche d'oxyde 52 est formée à la fois par une consommation de la couche utile 50 et par l'oxygène apporté par le gaz ambiant.
Selon l'épaisseur désirée de la couche d'oxyde 52 et la température d'oxydation, le temps d'oxydation est généralement compris entre quelques minutes et quelques heures.
L'épaisseur globale de la couche d'oxyde 52 formée est généralement comprise entre 50 et 500 nm, typiquement entre 100 et 400 nm.
L'oxydation thermique du silicium est souvent pratiquée à l'aide de fours comprenant un ou plusieurs tubes, dans lesquels les structures composites à traiter sont chargées. Pour des structures composites de type silicium sur isolant de grand diamètre, l'oxydation est plus uniforme si elle est pratiquée dans des fours à tubes verticaux, dans lesquels les structures composites sont placées horizontalement, les unes en dessous des autres.
On constate toutefois que l'épaisseur de la couche d'oxyde 52 n'est pas uniforme sur toute son étendue
Ainsi, à titre d'exemple, dans le cas d'une couche utile 50 comprenant du silicium, une couche d'oxyde 52 dont l'épaisseur dans sa partie centrale est de l'ordre de 1500 Â, aura une épaisseur dans sa partie annulaire périphérique de l'ordre de 1485 Â et une telle couche dont l'épaisseur dans sa partie centrale est de l'ordre de 500 Â aura une épaisseur dans sa partie annulaire périphérique de l'ordre de 485 Â .
De telles variations d'épaisseur peuvent être observées par exemple à l'aide d'un ellipsomètre.
Le retrait de la couche d'oxyde 52 ou "désoxydation sacrificielle" est une gravure généralement pratiquée par voie humide.
Dans le cas du retrait d'une couche d'oxyde de silicium, l'agent assurant la gravure chimique est à base d'acide fluorhydrique (HF). Après le retrait de la couche d'oxyde de silicium 52, on obtient une couche utile amincie 51 en silicium.
On notera que dans certaines conditions, il est également possible d'obtenir l'inverse, c'est-à-dire une couche d'oxyde 52 plus épaisse à sa périphérie qu'en son centre (c'est-à-dire concave). Toutefois, ce cas est beaucoup moins fréquent que le précédent.
Parmi les paramètres susceptibles de conduire à une oxydation plus épaisse au centre, ou à l'inverse au bord, on trouve par exemple la pression partielle et le débit des différents gaz injectés lors de l'oxydation, la rampe éventuelle de température lors de l'oxydation (à l'origine d'un gradient éventuel de température entre le bord et le centre des plaques) ou la position dans le four. Nous allons maintenant décrire les différents modes de mise en oeuvre de l'étape b) de formation de la zone de fragilisation 40. L'étape b) est exécutée de sorte que la couche utile 50 transférée sur le substrat support 20 présente un profil d'épaisseur à l'issue de l'étape d), ledit profil d'épaisseur étant adapté pour compenser, au moins en partie, la non uniformité de consommation de la couche utile 50 lors de l'étape e), la couche utile amincie 51 étant d'épaisseur sensiblement uniforme à l'issue de l'ensemble des étapes.
En particulier, le profil d'épaisseur de la couche utile 50, à l'issue de l'étape de fracture d), est adapté pour compenser la non uniformité d'une étape d'oxydation sacrificielle exécutée à l'étape e).
Par compenser la non uniformité, on entend générer un profil d'épaisseur de la couche utile 50 de sorte à ce qu'à l'issue de l'étape d'amincissement, la couche utile amincie 51 présente une épaisseur essentiellement constante sur son étendue.
Premier mode de réalisation de l'étape b)
Selon un premier mode de réalisation, la formation de la zone de fragilisation 40 est exécutée par implantation d'au moins une des espèces choisie parmi : les ions hydrogène, les ions hélium. La dose totale des espèces implantées est non uniforme sur l'étendue de la zone de fragilisation 40, et la non uniformité de la dose des espèces implantées est adaptée pour générer le profil d'épaisseur non uniforme de la couche utile 50 à l'issue de l'étape d) de fracture.
Par dose d'espèces implantée, on entend la quantité d'espèces implantées par unité de surface de zone de fragilisation 40. La dose d'espèces implantées se mesure en atomes par cm2.
L'étape d'implantation est avantageusement exécutée par un équipement d'implantation mono substrat (« Single wafer implant » selon la terminologie anglaise). Par opposition aux équipements d'implantation par lots (« batch wafer implant » selon la terminologie anglaise), un équipement d'implantation mono substrat permet d'implanter une dose non uniforme d'espèces sur toute l'étendue de la zone de fragilisation 40.
La Demanderesse a constaté que le profil en épaisseur de la couche utile 50 à l'issue de l'étape de fracture dépend de l'uniformité de la dose d'espèces implantées sur toute l'étendue de la zone de fragilisation 40.
Une épaisseur excédentaire d'une partie de la couche utile 50 après l'étape d) est observée, lorsque ladite partie est inscrite, à l'issue de l'étape b), dans une région de la zone de fragilisation 40 présentant une dose d'espèces implantées en excès par rapport au reste de la zone de fragilisation 40. Par conséquent, une surdose d'espèces implantées dans une région de la zone de fragilisation 40 permet de générer une surépaisseur de la couche utile 50 à l'issue de l'étape d) au niveau de ladite région de la zone de fragilisation 40.
Ainsi, tel que représenté aux figures 4a et 4b, une région A de la zone de fragilisation 40 présente une surdose d'espèces implantées par rapport au reste de la zone de fragilisation 40. La portion 54 de la couche utile 50 inscrite dans ladite région A à l'étape b), présentera, à l'issue de l'étape d), une épaisseur plus importante que le reste de la couche utile 50.
A titre d'exemple, la figure 5 illustre le profil d'épaisseur d'une couche de silicium transférée sur un substrat support. Dans ce cas particulier les conditions d'implantation sont les suivantes :
- Implantation d'ions hydrogène à une énergie autour de 20keV et une dose autour de 1 x 1016 atomes/cm2 et constante sur toute l'étendue de zone de fragilisation
- Implantation d'ions hélium à une énergie autour de 30keV avec une surdose de 3% sur la partie centrale sur un diamètre de l'ordre de 100mm.
On constate alors qu'après l'étape de fracture d), la couche utile 50 en silicium présente une épaisseur plus importante au centre qu'en sa zone périphérique annulaire. Le profil en épaisseur de la couche utile est alors qualifié de profil bombé. Par exemple, lorsque la couche d'oxyde 52, formée lors de l'étape e) d'amincissement présente un profil d'épaisseur bombé, il est avantageux d'implanter une dose d'espèces plus importante dans la partie centrale de la zone de fragilisation (40) et moins importante en allant vers la périphérie annulaire de la zone de fragilisation (40). La dose d'espèces implantées dans la partie centrale de la zone de fragilisation 40 peut être supérieure entre 2 à 9%, préférentiellement entre 3 et 6%, à la dose d'espèces implantés dans la périphérie annulaire de la zone de fragilisation. Ainsi, la couche utile amincie 51 présentera une uniformité d'épaisseur améliorée par rapport à l'état de la technique. Par uniformité d'épaisseur améliorée, on entend des variations d'épaisseurs plus faibles.
Inversement, lorsque la couche d'oxyde 52, formée lors de l'étape e) d'amincissement présente un profil d'épaisseur en cuvette, il est avantageux d'implanter une dose d'espèces plus importante dans la périphérie annulaire de la zone de fragilisation 40 et moins importante partie centrale de la zone de fragilisation 40. La dose d'espèces implantées dans la périphérie annulaire de la zone de fragilisation 40 peut être supérieure entre 2 à 9%, préférentiellement entre 3 et 6%, à la dose d'espèces implantés dans la partie centrale de la zone de fragilisation 40. Ainsi, la couche utile amincie 51 présentera une uniformité d'épaisseur améliorée par rapport à l'état de la technique. Par uniformité d'épaisseur améliorée, on entend des variations d'épaisseurs plus faibles.
De manière particulièrement avantageuse, le dose d'ions hydrogène implantés dans la zone de fragilisation 40 est constante sur toute l'étendue de la zone de fragilisation 40, et la dose d'ions hélium implantés est non uniforme sur l'étendue de la zone de fragilisation 40. Ainsi, le profil d'épaisseur de la couche utile est conditionné par la non uniformité de dose des ions hélium implantés.
Deuxième mode de réalisation de l'étape b)
Selon un second mode de réalisation, l'étape b) est exécutée en deux étapes : - Première implantation d'espèces, selon une première énergie d'implantation, la dose de la première implantation d'espèces étant non uniforme sur l'étendue de la zone de fragilisation 40
- Deuxième implantation d'espèces selon une deuxième énergie d'implantation inférieure à la première énergie d'implantation, la dose de la deuxième implantation d'espèces étant non uniforme sur l'étendue de la zone de fragilisation 40
La deuxième énergie d'implantation est supérieure à 90% de la première énergie d'implantation. La dose de la première implantation d'espèces et la dose de la deuxième implantation d'espèces sont complémentaires sur toute l'étendue de la zone de fragilisation 40. La non uniformité de la dose de la première implantation d'espèces et la non uniformité de la dose de la deuxième implantation d'espèces sont adaptées pour générer le profil d'épaisseur de la couche utile 50 à l'issue de l'étape d) de fracture.
La dose d'espèces implantées se mesure en atomes par cm2.
L'étape d'implantation est avantageusement exécutée par un équipement d'implantation mono substrat (« Single wafer implant » selon la terminologie anglaise). Par opposition aux équipements d'implantation par lots (« batch wafer implant » selon la terminologie anglaise), un équipement d'implantation mono substrat permet d'implanter une dose non uniforme d'espèces sur toute l'étendue de la zone de fragilisation 40.
A titre d'exemple, la première implantation est une implantation d'ions hydrogène à une énergie d'implantation égale à 24.07 keV. La dose d'ions hydrogène implanté lors de la première implantation est égale à environ 1 x 1016 atomes/cm2 sur une partie centrale de la zone de fragilisation 40 de diamètre 200mm, et environ 0.5 x 1016 à 0.6 x 1016 atomes/cm2 sur le reste de la zone de fragilisation 40. La deuxième implantation est une implantation d'ions hydrogène à une énergie d'implantation égale à 23.08 keV. La dose d'ion hydrogène lors de la deuxième implantation est égale à 0.5 x 1016 à 0.6 x 1016 atomes/cm2 sur une partie centrale de la zone de fragilisation 40 de diamètre 200mnn, et de autour de 1 x 1016 atomes/cm2 sur le reste de la zone de fragilisation 40. On constate alors qu'après l'étape de fracture d), tel que représenté à la figure 6, la couche utile 52 en silicium présente une épaisseur moins importante au centre qu'en sa zone périphérique annulaire. Le profil en épaisseur de la couche utile est alors qualifié de profil en cuvette.
De manière particulièrement avantageuse, la non uniformité de l'étape e) d'amincissement peut être déterminée préalablement à la mise en œuvre du procédé selon l'invention. Pour une étape d'amincissement e) exécutée par oxydation sacrificielle, cela peut consister à oxyder thermiquement un substrat donneur 10 ou une couche utile 50, et à mesurer le profil d'épaisseur ainsi formé avec un équipement de mesure d'épaisseur de couches, par exemple un ellipsomètre. La connaissance du profil d'épaisseur de la couche d'oxyde formée lors de l'étape d'amincissement, permet alors d'ajuster l'étape de formation de la zone de fragilisation pour la production de structures composites en volume.
Plus particulièrement, les fours d'oxydation thermique présentent une relativement bonne stabilité thermique de nos jours. Par conséquent, une étape d'oxydation thermique reproduite à plusieurs reprises produira des couches d'oxyde présentant toujours sensiblement le même profil en épaisseur. Le procédé selon la présente invention sera alors avantageusement mis en œuvre pour la production en volume de structures composites de type silicium sur isolant.
Par ailleurs, le procédé selon l'invention, permet de fabriquer des structures composites, et plus particulièrement des structure de silicium sur isolant, pour lesquelles la couche utile amincie 51 présente des variations d'épaisseurs réduites par rapport à l'état de la technique.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de fabrication d'une structure composite comprenant les étapes suivantes :
a) Fournir un substrat donneur (10), et un substrat support (30), le substrat donneur comprenant une première surface (20) ;
b) Former une zone de fragilisation (40) dans le substrat donneur (10), la zone de fragilisation (40) délimitant, avec la première surface (20) du substrat donneur (10), une couche utile (50) ;
c) Assembler le substrat support (30) et le substrat donneur (10) ;
d) Fracturer le substrat donneur selon la zone de fragilisation, de sorte à transférer la couche utile (50) sur le substrat support (30) ;
e) Amincir la couche utile (50) de sorte à former une couche utile amincie
(51 ) , l'amincissement consommant une épaisseur non uniforme de la couche utile (50).
Ledit procédé de fabrication étant caractérisé en ce que l'étape b) comporte une étape d'implantation d'une dose non uniforme sur toute l'étendue de la zone de fragilisation de sorte que la couche utile (50) transférée sur le substrat support (20) présente un profil d'épaisseur à l'issue de l'étape d) adapté pour compenser, au moins en partie, la non uniformité de consommation de la couche utile (50) lors de l'étape e), la couche utile amincie (51 ) étant d'épaisseur sensiblement uniforme à l'issue de l'ensemble des étapes.
2. Procédé de fabrication selon la revendication 1 , dans lequel l'étape e) d'amincissement comprend une étape d'oxydation de la couche utile (50) de sorte à former une couche d'oxyde (52), l'épaisseur de la couche d'oxyde
(52) étant non uniforme, et suivie d'une étape de retrait de ladite couche d'oxyde (52).
3. Procédé de fabrication selon la revendication 2, dans lequel l'étape b) est exécutée par implantation d'au moins une des deux espèces H ou He.
4. Procédé de fabrication selon la revendication 3, dans lequel la dose totale des espèces implantées est non uniforme sur l'étendue de la zone de fragilisation (40), la non uniformité de la dose des espèces implantées étant adaptée pour générer le profil d'épaisseur de la couche utile (50) à l'issue de l'étape d) de fracture.
5. Procédé de fabrication selon la revendication 4, dans lequel l'étape b) est exécutée par implantation d'ions hydrogène et d'ions hélium et dans lequel la dose d'ions hydrogène implantés est uniforme sur toute l'étendue de la zone de fragilisation (40), et la dose d'ions hélium implantés est non uniforme sur l'étendue de la zone de fragilisation (40).
6. Procédé de fabrication selon la revendication 4 ou 5, dans lequel la couche d'oxyde (52) formée lors de l'étape e) présente une épaisseur plus importante dans sa partie centrale, et moins importante en allant vers la périphérie annulaire de la couche d'oxyde (52), et la dose d'espèces implantées est plus importante dans la partie centrale de la zone de fragilisation et moins importante en allant vers la périphérie annulaire de la zone de fragilisation.
7. Procédé de fabrication selon la revendication 4 ou 5, dans lequel la couche d'oxyde (52) formée lors de l'étape e) présente une épaisseur moins importante dans sa partie centrale, et plus importante en allant vers la périphérie annulaire de la couche d'oxyde (52), et la dose d'espèces implantées lors de l'étape b) est moins importante dans la partie centrale de la zone de fragilisation et plus importante en allant vers la périphérie annulaire de la zone de fragilisation.
8. Procédé de fabrication selon la revendication 3, dans lequel l'étape b) est exécutée en deux étapes :
- Première implantation d'espèces, selon une première énergie d'implantation, la dose de la première implantation d'espèce étant non uniforme sur l'étendue de la zone de fragilisation (40)
- Deuxième implantation d'espèces selon une deuxième énergie d'implantation inférieure à la première énergie d'implantation, la dose de la deuxième implantation d'espèce étant non uniforme sur l'étendue de la zone de fragilisation (40)
La deuxième énergie d'implantation étant supérieure à 90% de la première énergie d'implantation, la dose de la première implantation d'espèces et la dose de la deuxième implantation d'espèces étant complémentaires sur toute l'étendue de la zone de fragilisation (40), la non uniformité de la dose de la première implantation d'espèces et la non uniformité de la dose de la deuxième implantation d'espèces étant adaptées pour générer le profil d'épaisseur de la couche utile (50) à l'issue de l'étape d) de fracture.
9. Procédé de fabrication selon la revendication 8, dans lequel les espèces implantées lors de la première implantation et de la deuxième implantation comprennent des ions hydrogène.
10. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel une couche diélectrique (53) est formée sur la première surface du substrat donneur avant l'étape b).
1 1 . Procédé de fabrication selon la revendication 9, dans lequel la couche diélectrique (53) comprend au moins un des matériaux suivant : oxyde de silicium, nitrure de silicium
12. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 1 1 , dans lequel le substrat donneur (10) comprend au moins un des matériaux suivant : silicium, germanium, alliage de silicium germanium.
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