WO2017149253A1 - Procede de determination d'une energie convenable d'implantation dans un substrat donneur et procede de fabrication d'une structure de type semi-conducteur sur isolant - Google Patents

Procede de determination d'une energie convenable d'implantation dans un substrat donneur et procede de fabrication d'une structure de type semi-conducteur sur isolant Download PDF

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donor substrate
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implantation
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Ludovic Ecarnot
Nadia Ben Mohamed
Carine Duret
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Soitec
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Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a layer transfer structure. This method is more particularly used to fabricate SeOI type structures (acronym for the term "Semiconductor On Insulator” or Semiconductor on Insulator) by a SmartCut TM type technique.
  • the Smart Cut TM process allows the transfer of a thin semiconductor layer from a donor substrate to a receiving substrate and implements the following steps:
  • Bonding is done over the entire surface of the substrates except at the periphery, because the plates have a chamfer (or "Edge Roll Off” (ERO) according to the English name) and are therefore not in contact on their periphery, as it can be seen in Figure 1.
  • ERO Erge Roll Off
  • the substrates are generally in the form of circular plates (also called “wafers” in the language of the trade); for example, 300 mm plates are commonly used.
  • the ring region is called the peripheral region where the transfer of the thin layer has not occurred.
  • FIG. 2 which shows a top view of four peripheral regions of a SeOI plate
  • the ring gear CP is delimited on the outer side by the edge 100 of the receiving substrate and on the inside by the edge 200. of the transferred layer.
  • the crown CP is regular, ie the edge of SeOI is regular.
  • an irregular crown width also called “jagged edge” according to the trade vocabulary
  • the crown may also include small isolated transferred areas.
  • the crown width is thus made irregular by the local and uncontrolled extension of the transferred area several hundred micrometers to the edge of the receiving substrate.
  • the extension of the transferred area is visible in the photos of Figure 3, where the lightest region corresponds to the transferred layer, and the darkest layer is the crown.
  • a situation where an irregular ring is observed is the implementation of an activation, for example by plasma, of the surface of at least one of the substrates before bonding by molecular adhesion.
  • This activation significantly enhances the bonding energy.
  • the reinforcement of the bonding energy can also be obtained by cleaning before suitable bonding, for example an O3 / SC1 / SC2 type sequence in which the SC1 is produced at a temperature below 50 ° C.
  • the transferred semiconductor layer has a large thickness, that is to say typically greater than or equal to 370 nm, and where the weakening zone is formed by co-implantation of two different species. , usually hydrogen and helium.
  • One of the aims of the invention is therefore to improve the method of manufacturing a layer transfer structure so as to guarantee a regular transferred layer edge, without local extension.
  • the invention relates to a method for determining a suitable energy for implantation of at least two atomic species in a donor substrate to create a weakening zone defining a semiconductor monocrystalline layer to be transferred on a receiving substrate. , comprising the following steps:
  • step (v) inspecting the peripheral ring of the remainder of the donor substrate or the peripheral ring of the receiving substrate on which the semiconductor monocrystalline layer has been transferred to step (iv), (vi) if said ring has zones transferred onto the receiving substrate, determining that the implantation energy of step (ii) is too high,
  • step (vii) if said ring does not have areas transferred to the receiving substrate, determining that the implantation energy of step (ii) is suitable.
  • step (ii) is carried out on a plurality of donor substrates with different respective implantation energies and it is determined from the inspection of the remainder of the donor substrate or the receiving substrate on wherein the monocrystalline semiconductor layer has been transferred obtained for each of said implantation energies, a suitable implantation energy range.
  • Another subject of the invention relates to a method of manufacturing a semiconductor-on-insulator type structure by transfer of a semiconducting monocrystalline layer from a donor substrate to a receiving substrate, comprising the following steps:
  • step (c) co-implantation of atomic species, such as hydrogen and helium, with the implantation energy determined in step (a), to create an embrittlement zone in the donor substrate; to define a semiconductor monocrystalline layer to be transferred,
  • atomic species such as hydrogen and helium
  • the suitable implantation energy determined in step (a) corresponds to a thickness of the layer transferred in step (e) less than the desired thickness for the layer. semiconductor process of the semiconductor-on-insulator structure, said method further comprising, after step (e), a step (f) of epitaxial growth on the transferred layer on the receiving substrate until obtaining the desired thickness.
  • FIG. 1 is a sectional photo of two glued plates showing the chamfers of the plates at the origin of the SeOI crown.
  • FIG. 2 is a top view of the edge of a SeOI plate with a regular crown
  • FIG. 3 is a photograph of the crown of a plate where the "jagged edge" phenomenon appears
  • FIG. 4 is a sectional view of a structure after gluing of a donor substrate onto a receiving substrate in order to manufacture a SeOI;
  • FIG. 5 is a sectional view of the preceding structure after detachment and transfer of a semiconducting monocrystalline layer
  • Figure 6 is a sectional view of the structure of Figure 5 after the implementation of an epitaxial recovery on the transferred layer.
  • FIGS. 7A to 7C are images of inspection of the peripheral ring of the remainder of a donor substrate for different implantation energies corresponding to different thicknesses of the transferred layer (respectively 350 nm, 420 nm and 600 nm).
  • FIG. 4 illustrates the structure obtained after gluing a donor substrate 30 onto a receiving substrate 10.
  • the donor substrate 30 When implementing the Smart Cut TM process, the donor substrate 30
  • the dielectric layer (and / or the receiving substrate) may for example be covered with a dielectric layer 20, in particular an oxide layer.
  • the oxide may be deposited or formed by thermal oxidation of the donor substrate.
  • the donor substrate 30 then undergoes co-implantation of at least two atomic species, such as, for example, hydrogen and helium, the dose and energy of which are adapted so as to obtain a peak of implantation at a depth corresponding to the thickness of the layer of the donor substrate that it is desired to transfer.
  • the zone 31 where the atomic species are implanted is called zone of weakening.
  • the helium atoms contribute to confining the hydrogen atoms, which makes it possible to improve the quality of the subsequent detachment along the embrittlement zone.
  • the implantation of these two species is carried out in a time-shifted manner.
  • the implantation energies of the two species (which depend on the weight of the respective species) are not necessarily identical. Those skilled in the art are able to define the dose and energy parameters for the two species depending on the depth of the weakening zone to be formed.
  • the substrates are contacted and bonded by molecular adhesion.
  • Plasma activation has the effect of increasing the bonding energy between the two substrates.
  • This increase in bonding energy can also be achieved by means of O3 / RCA type cleaning before bonding in which the SC1 is produced at a temperature below 50 ° C.
  • This cleaning is well known to those skilled in the art and will not be described in detail.
  • the RCA comprises a series of so-called baths SC1 and SC2.
  • SC1 is a mixture of H 2 O, H 2 O 2 and NH 4 OH.
  • SC2 is a mixture of H 2 O, H 2 O 2 and HCl. Rinses in H 2 O are inserted between these baths of SC1 and SC2.
  • Cleaning O3 corresponds to a first H 2 O bath in which ozone gas is dissolved.
  • the plates of the two substrates do not have an edge perpendicular to the surface but have a chamfer or "Edge Roll Off" designated by the arrows C.
  • the substrates 10 and 30 are therefore not not glued to their edge but up to the chamfer.
  • the donor substrate 30 is then detached along the weakening zone 31.
  • detachment may be initiated by means of mechanical forces or a rise in temperature; detachment propagating over the entire surface in the form of a detachment wave.
  • the SeOI structure thus obtained is shown in FIG. 5. Owing to the presence of the chamfers on the edges of the plates, the portion transferred from the donor substrate 30 does not normally extend over the entire surface of the receiving substrate 10 but only up to at the limit of a CP peripheral ring.
  • the peripheral ring CP typically has a width of 1 mm from the edge of the plate.
  • the inventors have observed that when the oxide layer is thick (of the order of 0.7 to 3 ⁇ ), the surface roughness of the silicon transferred by the implantation and bonding process is greater. Therefore, treatment to smooth the surface of the transferred thin layer and remove implantation defects will lead to significant shrinkage of material, resulting in the need for the deepest possible implantation to transfer a thick enough layer. to obtain the desired thickness after polishing. Furthermore, the inventors have identified that there is a critical thickness of the layer to be transferred beyond which the fracture wave used for the detachment tends to press the peripheral ring of the donor substrate against that of the receiving substrate - to which it was not bonded initially - which causes a transfer of material from the donor substrate into the peripheral ring of the receiving substrate. This critical thickness depends on the structure in which the detachment is performed, including the thickness of the layer to be transferred.
  • the invention makes it possible to avoid or at least to reduce the "jagged edge" phenomenon by identifying beforehand a range of implantation energy (or at least one implantation energy value). ) for each species not leading to the presence of transferred areas in the peripheral ring of the recipient substrate (this suitable energy being determined by inspecting the peripheral ring of the remainder of the donor substrate after detachment) and using an implantation energy in said range (or less than or equal to the value identified) for transferring a semiconductor monocrystalline layer from the donor substrate to the receiving substrate.
  • the implantation energy used corresponds to a thickness of the transferred layer less than the desired thickness for the thin semiconductor layer of the final SeOI structure, an epitaxy is applied on the transferred layer until obtaining the desired thickness.
  • the invention therefore makes it possible, in a first step, to determine, for a particular SeOI structure to be manufactured, a suitable implantation energy for the two species to be implanted to form the zone of weakening.
  • This determination process involves the fabrication of several structures
  • SeOI test each corresponding to different co-implantation energies, to determine a window of the implantation process to limit or even avoid the formation of the "jagged edge".
  • the manufacturing of the SeOI test structures comprises the following steps (see FIG. 1 ).
  • the remainder 34 of the donor substrate is used to determine whether or not the co-implantation conditions of step (ii) have led to a "jagged edge” phenomenon.
  • the peripheral ring CP of the remainder 34 of the donor substrate is inspected by a device called Edgescan TM, which makes it possible to observe the defects present at the periphery of a substrate.
  • Edgescan TM a device that makes it possible to observe the defects present at the periphery of a substrate.
  • Such equipment is widely used on the production lines. of SeOI structures and will not be described in detail here.
  • step (ii) if the crown of the remainder of the donor substrate has zones which have been transferred onto the receiving substrate (revealing the "jagged edge"), the implantation energy of step (ii) is too high;
  • step (ii) if said ring does not have zones transferred on the receiving substrate (meaning that the "jagged edge" has not occurred), the implantation energy of step (ii) is suitable.
  • this inspection could be carried out on the SeOI structure, which corresponds to the negative imprint of the remainder of the donor substrate.
  • the inspection of the remainder has the advantage of being able to be performed in parallel with the process of manufacturing the SeOI structures which continues.
  • SeOI structures are carried out according to the Smart Cut TM process and makes it possible to obtain a SeOI structure as illustrated in FIG. 5 substantially devoid of "jagged edge". The remainder of the donor substrate can be removed or recycled for another use.
  • the thickness of the layer 32 transferred to the receiving substrate is denoted E1.
  • this additional thickness is obtained by implementing an epitaxial step on the transferred layer 32 until obtaining the desired thickness.
  • desired thickness E2 final layer 33 shown in FIG. 6).
  • the proper implantation energy range may vary depending on the thickness of the buried oxide layer. Therefore, it will be possible to implement the method of determination described above for SeOI structures having different characteristics (in terms of materials, thickness of the oxide layer, etc.).
  • the energy of helium implantation is defined according to the energy of implantation of hydrogen: the energy of implantation of the hydrogen is determined to obtain a determined depth of the zone of weakening, then the energy of implantation of the helium is determined so that the peak of implantation of the helium is in the vicinity of the peak of implantation hydrogen. Therefore, in the present invention, it is sufficient to determine the proper hydrogen implantation energy, and one skilled in the art is then able to determine the energy of implantation of the helium to be used.
  • FIGS. 7A to 7C are views of an Edgescan TM inspection of the peripheral ring CP of the remainder of the silicon donor substrate of an SOI structure with an oxide layer of 1 ⁇ in thickness for different implantation energies of hydrogen between 32 keV and 68 keV.
  • Figure 7A corresponds to an implantation depth of 350 nm
  • Figure 7B to a depth of 420 nm
  • Figure 7C to a depth of 600 nm.
  • the image obtained by Edgescan TM represents the contour of the substrate in the form of a straight line.
  • the peripheral ring CP (which corresponds to a thickness of silicon not transferred onto the receiving substrate), whose limit with respect to the central part of the substrate is designated by the thick arrow, is substantially regular. Note that this ring has a bubbled appearance that is due to implantation.
  • peripheral ring is less regular.
  • the zones designated by the thick arrows correspond to a transfer of silicon from the donor substrate to the receiving substrate.
  • FIG. 7C it is observed that with the exception of a few zones designated by the thick arrows, the silicon of the peripheral ring has been transferred onto the receiving substrate (the appearance of the peripheral ring being similar to that of the part central substrate). This seems to be explained by the fact that the layer to be transferred was rather rigid and that the detachment was violent enough so that the donor substrate, which was not initially bonded to the receiving substrate in the region of the chamfer, was flattened. on its edge against the receiving substrate, which led to a transfer of almost all of the donor substrate on the receiving substrate.
  • the manufacture of SOI having an oxide layer of 1 ⁇ thick it will advantageously carry out co-implantation of hydrogen and helium to reach an implantation depth of at most 370 nm.
  • the silicon layer of the SOI must have a thickness greater than the thickness of the transferred layer, the required thickness will be obtained by means of an epitaxy.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de détermination d'une énergie convenable d'implantation d'au moins deux espèces atomiques dans un substrat donneur (30) pour créer une zone de fragilisation (31) définissant une couche (32) monocristalline semi-conductrice à transférer sur un substrat receveur (10), comprenant les étapes suivantes : (i) formation d'une couche diélectrique sur le substrat donneur (30) et/ou du substrat receveur (10), (ii) co-implantation desdites espèces dans le substrat donneur (30), (iii) collage du substrat donneur (30) sur le substrat receveur (10), (iv) détachement du substrat donneur (30) le long de la zone de fragilisation (31) de sorte à transférer la couche (32) monocristalline semi-conductrice et récupérer un reliquat (34) du substrat donneur, (v) inspection de la couronne périphérique du reliquat (34) du substrat donneur ou du substrat receveur (10) sur lequel la couche monocristalline semi-conductrice (32) a été transférée à l'étape (iv), (vi) si ladite couronne présente des zones transférées sur le substrat receveur, détermination du fait que l'énergie d'implantation de l'étape (ii) est trop élevée, (vii) si ladite couronne ne présente pas de zones transférées sur le substrat receveur, détermination du fait que l'énergie d'implantation de l'étape (ii) est convenable.

Description

PROCEDE DE DETERMINATION D'UNE ENERGIE CONVENABLE D'IMPLANTATION DANS UN SUBSTRAT DONNEUR ET PROCEDE DE FABRICATION D'UNE STRUCTURE
DE TYPE SEMI-CONDUCTEUR SUR ISOLANT
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une structure par transfert de couche. Ce procédé est mis en œuvre plus particulièrement pour fabriquer des structures de type SeOI (acronyme du terme anglo-saxon « Semiconductor On Insulator » ou Semi-conducteur sur Isolant) par une technique de type SmartCut™.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
Le procédé Smart Cut ™ permet le transfert d'une couche mince semi- conductrice d'un substrat donneur vers un substrat receveur et met en œuvre les étapes suivantes :
a) Implantation d'espèces atomiques dans le substrat donneur afin de créer une zone de fragilisation dont la profondeur correspond à l'épaisseur de la couche mince que l'on souhaite transférer.
b) Mise en contact des substrats et collage par adhésion moléculaire.
Le collage se fait sur toute la surface des substrats sauf à la périphérie, car les plaques présentent un chanfrein (ou « Edge Roll Off » (ERO) selon la dénomination anglo-saxonne) et ne sont donc pas en contact sur leur périphérie, comme on peut le constater sur la figure 1 .
c) Détachement selon la zone de fragilisation du substrat donneur, et transfert de la couche mince vers le substrat receveur.
Les substrats se présentent généralement sous la forme de plaques circulaires (également appelées « wafers » dans le langage du métier) ; par exemple, les plaques de 300 mm sont couramment utilisées.
On appelle couronne la région périphérique où le transfert de la couche mince n'a pas eu lieu. En référence à la figure 2, qui représente en vue de dessus quatre régions périphériques d'une plaque de SeOI, la couronne CP est délimitée du côté extérieur par le bord 100 du substrat receveur et du côté intérieur par le bord 200 de la couche transférée. Sur la plaque de la figure 2, la couronne CP est régulière, autrement dit le bord du SeOI est régulier.
Toutefois, dans certains cas, une largeur de couronne irrégulière (également appelée « jagged edge » selon le vocabulaire du métier) sur le produit final, c'est- à-dire le SeOI obtenu après le détachement. Après le détachement, il arrive que la couronne comprenne également des petites zones transférées isolées.
La largeur de couronne est donc rendue irrégulière par l'extension locale et non contrôlée de la zone transférée sur plusieurs centaines de micromètres vers le bord du substrat receveur. L'extension de la zone transférée est visible sur les photos de la figure 3, où la région la plus claire correspond à la couche transférée, et la couche la plus foncée est la couronne.
Une situation où l'on observe une couronne irrégulière est la mise en œuvre d'une activation, par exemple par plasma, de la surface d'au moins un des substrats avant le collage par adhésion moléculaire. Cette activation permet de renforcer de manière significative l'énergie de collage. Le renforcement de l'énergie de collage peut également être obtenu par un nettoyage avant collage adapté, par exemple une séquence de type O3/SC1/SC2 dans laquelle le SC1 est réalisé à une température inférieure à 50°C.
La demande de brevet WO 2009/0341 13 au nom de la Demanderesse propose de remédier à cet inconvénient en contrôlant l'activation de la surface du substrat de telle sorte que l'augmentation de l'énergie de collage entre le substrat donneur et le substrat receveur soit, dans une région périphérique de ces substrats, inférieure à l'augmentation de l'énergie de collage dans la région centrale desdits substrats.
Toutefois, il subsiste des situations où le phénomène de « jagged edge » est observé, même lorsque le contrôle susmentionné est mis en œuvre. Il s'agit notamment des cas où la couche semi-conductrice transférée présente une épaisseur importante, c'est-à-dire typiquement supérieure ou égale à 370 nm, et où la zone de fragilisation est formée par co-implantation de deux espèces différentes, généralement de l'hydrogène et de l'hélium.
Or, ce transfert non désiré dans la couronne crée une zone plus fragile dans laquelle la couche semi-conductrice transférée est susceptible de subir une attaque chimique par son interface avec le substrat receveur (phénomène dénommé « under etching » selon la terminologie anglo-saxonne) et de se délaminer. Il peut en résulter une contamination particulaire de la structure SeOI qui la rend non conforme aux spécifications produit.
Une solution pour remédier à ce type de défaut serait de retirer les zones transférées dans la couronne par une action mécanique ou chimique.
Toutefois, la mise en œuvre de telles opérations de reprise serait compliquée à mettre en œuvre à l'échelle industrielle et grèverait le coût de fabrication des structures SeOI.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
Un des buts de l'invention est donc d'améliorer le procédé de fabrication d'une structure par transfert de couche de manière à garantir un bord de couche transférée régulier, sans extension locale.
A cet effet, l'invention concerne un procédé de détermination d'une énergie convenable d'implantation d'au moins deux espèces atomiques dans un substrat donneur pour créer une zone de fragilisation définissant une couche monocristalline semi-conductrice à transférer sur un substrat receveur, comprenant les étapes suivantes :
(i) formation d'une couche diélectrique sur l'un au moins du substrat donneur et du substrat receveur
(ϋ) co-implantation desdites espèces dans le substrat donneur avec une énergie déterminée pour former la zone de fragilisation,
(iii) collage du substrat donneur sur le substrat receveur de telle sorte que ladite couche diélectrique soit à l'interface de collage,
(iv) détachement du substrat donneur le long de la zone de fragilisation (31 ) de sorte à transférer la couche monocristalline semi-conductrice et récupérer un reliquat du substrat donneur,
(v) inspection de la couronne périphérique du reliquat du substrat donneur ou de la couronne périphérique du substrat receveur sur lequel la couche monocristalline semi-conductrice a été transférée à l'étape (iv), (vi) si ladite couronne présente des zones transférées sur le substrat receveur, détermination du fait que l'énergie d'implantation de l'étape (ii) est trop élevée,
(vii) si ladite couronne ne présente pas de zones transférées sur le substrat receveur, détermination du fait que l'énergie d'implantation de l'étape (ii) est convenable.
De manière avantageuse, on met en œuvre l'étape (ii) sur une pluralité de substrats donneurs avec des énergies d'implantation respectives différentes et l'on détermine, à partir de l'inspection du reliquat du substrat donneur ou du substrat receveur sur lequel la couche monocristalline semi-conductrice a été transférée obtenu pour chacune desdites énergies d'implantation, une gamme d'énergie d'implantation convenable.
Ainsi, on peut déterminer l'énergie d'implantation maximale dans ladite gamme d'énergie d'implantation convenable et l'on en déduit l'épaisseur maximale de la couche monocristalline semi-conductrice à transférer sur le substrat receveur.
Un autre objet de l'invention concerne un procédé de fabrication d'une structure de type semi-conducteur sur isolant par transfert d'une couche monocristalline semi-conductrice d'un substrat donneur vers un substrat receveur, comprenant les étapes suivantes :
(a) détermination d'une énergie d'implantation convenable par le procédé tel que décrit ci-dessus,
(b) formation d'une couche diélectrique sur l'un au moins du substrat receveur et du substrat donneur,
(c) co-implantation d'espèces atomiques, telles que de l'hydrogène et de l'hélium, avec l'énergie d'implantation déterminée à l'étape (a), pour créer une zone de fragilisation dans le substrat donneur de manière à définir une couche monocristalline semi-conductrice à transférer,
(d) collage par adhésion moléculaire du substrat donneur sur un substrat receveur, ladite couche diélectrique étant à l'interface de collage, (e) détachement du substrat donneur selon la zone de fragilisation, de sorte à transférer la couche monocristalline semi-conductrice sur le substrat receveur. Selon une forme d'exécution de l'invention, l'énergie d'implantation convenable déterminée à l'étape (a) correspond à une épaisseur de la couche transférée à l'étape (e) inférieure à l'épaisseur souhaitée pour la couche monocristalline semi-conductrice de la structure semi-conducteur sur isolant, ledit procédé comprenant en outre, après l'étape (e), une étape (f) d'épitaxie sur la couche transférée sur le substrat receveur jusqu'à l'obtention de l'épaisseur souhaitée.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre, en référence aux figures annexées sur lesquelles :
- la figure 1 est une photo en coupe de deux plaques collées montrant les chanfreins des plaques à l'origine de la couronne du SeOI
- la figure 2 est une photo de dessus du bord d'une plaque SeOI présentant une couronne régulière
- la figure 3 est une photographie de la couronne d'une plaque où apparaît le phénomène de « jagged edge »,
- la figure 4 est une vue en coupe d'une structure après collage d'un substrat donneur sur un substrat receveur en vue de fabriquer un SeOI ;
- la figure 5 est une vue en coupe de la structure précédente après détachement et transfert d'une couche monocristalline semi-conductrice ;
- la figure 6 est une vue en coupe de la structure de la figure 5 après la mise en œuvre d'une reprise d'épitaxie sur la couche transférée.
- les figures 7A à 7C sont des images d'inspection de la couronne périphérique du reliquat d'un substrat donneur pour différentes énergies d'implantation correspondant à des épaisseurs de la couche transférée différentes (respectivement 350 nm, 420 nm et 600 nm). DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION
La figure 4 illustre la structure obtenue après collage d'un substrat donneur 30 sur un substrat receveur 10.
Lors de la mise en œuvre du procédé Smart Cut™, le substrat donneur 30
(et/ou le substrat receveur) peut par exemple être recouvert d'une couche diélectrique 20, notamment une couche d'oxyde. De manière bien connue de l'homme du métier, l'oxyde peut être déposé ou encore formé par oxydation thermique du substrat donneur.
Le substrat donneur 30 subit ensuite une co-implantation d'au moins deux espèces atomiques, comme par exemple de l'hydrogène et de l'hélium, dont la dose et l'énergie sont adaptées de manière à obtenir un pic d'implantation à une profondeur correspondant à l'épaisseur de la couche du substrat donneur que l'on souhaite transférer. La zone 31 où sont implantées les espèces atomiques est appelée zone de fragilisation. Grâce à cette co-implantation, les atomes d'hélium contribuent à confiner les atomes d'hydrogène, ce qui permet d'améliorer la qualité du détachement ultérieur le long de la zone de fragilisation. L'implantation de ces deux espèces est réalisée de manière décalée dans le temps. Par ailleurs, les énergies d'implantation des deux espèces (qui dépendent du poids des espèces respectives) ne sont pas nécessairement identiques. L'homme du métier est à même de définir les paramètres de dose et d'énergie pour les deux espèces en fonction de la profondeur de la zone de fragilisation à former.
Après une éventuelle activation par plasma de la surface du substrat donneur 30 et/ou du substrat receveur 10, les substrats sont mis en contact et collés par adhésion moléculaire. L'activation par plasma a pour effet d'augmenter l'énergie de collage entre les deux substrats. Cette augmentation de l'énergie de collage peut également être obtenue au moyen d'un nettoyage avant collage de type O3/RCA dans lequel le SC1 est réalisé à une température inférieure à 50°C. Ce nettoyage est bien connu de l'homme du métier et ne sera donc pas décrit en détail. On rappelle simplement que le RCA comprend un enchaînement de bains dits SC1 et SC2. Le SC1 est un mélange d'H2O, H2O2 et NH4OH. Le SC2 est un mélange d'H2O, H2O2 et HCI. Des rinçages en H2O sont insérés entre ces bains de SC1 et de SC2. Le nettoyage O3 correspond à un premier bain d'H2O dans lequel on dissout de l'ozone gaz.
Comme on peut le constater sur la figure 4, les plaques des deux substrats n'ont pas un bord perpendiculaire à la surface mais présentent un chanfrein ou « Edge Roll Off », désigné par les flèches C. Les substrats 10 et 30 ne sont donc pas collés jusqu'à leur bord mais jusqu'au chanfrein.
On réalise ensuite un détachement du substrat donneur 30 le long de la zone de fragilisation 31 . A cet effet, on peut initier un détachement au moyen de forces mécaniques ou d'une élévation de température ; le détachement se propageant sur toute la surface sous la forme d'une onde de détachement. La structure SeOI ainsi obtenue est représentée à la figure 5. Du fait de la présence des chanfreins sur les bords des plaques, la partie transférée du substrat donneur 30 ne s'étend normalement pas sur toute la surface du substrat receveur 10 mais seulement jusqu'à la limite d'une couronne périphérique CP.
Pour une plaque de 300 mm, la couronne périphérique CP a typiquement une largeur de 1 mm par rapport au bord de la plaque.
Le phénomène de « jagged edge » exposé en introduction se traduit par la présence de zones transférées (c'est-à-dire d'oxyde 20 et de couche mince 32) à l'intérieur de la couronne périphérique CP.
Le phénomène de « jagged edge » semble dû au fait que les énergies d'implantation d'hydrogène et d'hélium pour créer la zone de fragilisation sont trop importantes.
Or, de telles énergies peuvent être requises pour former une zone de fragilisation suffisamment profonde pour pouvoir transférer une couche semi- conductrice suffisamment épaisse.
Ainsi, les inventeurs ont observé que lorsque la couche d'oxyde est épaisse (de l'ordre de 0,7 à 3 μιτι), la rugosité de surface du silicium transféré par le procédé d'implantation et de collage est plus importante. Par conséquent, le traitement visant à lisser la surface de la couche mince transférée et retirer les défauts d'implantation conduira à un retrait important de matière, d'où la nécessité d'effectuer une implantation la plus profonde possible afin transférer une couche suffisamment épaisse pour obtenir l'épaisseur souhaitée à l'issue du polissage. Par ailleurs, les inventeurs ont identifié qu'il existe une épaisseur critique de la couche à transférer au-delà de laquelle l'onde de fracture mise en œuvre pour le détachement tend à plaquer la couronne périphérique du substrat donneur contre celle du substrat receveur - à laquelle elle n'était pas collée initialement - qui engendre un transfert de matière du substrat donneur dans la couronne périphérique du substrat receveur. Cette épaisseur critique dépend de la structure dans laquelle le détachement est effectué, et notamment de l'épaisseur de la couche à transférer.
D'une manière générale, l'invention permet d'éviter ou tout au moins de réduire le phénomène de « jagged edge » en identifiant au préalable une gamme d'énergie d'implantation (ou au moins une valeur d'énergie d'implantation) pour chaque espèce ne conduisant pas à la présence de zones transférées dans la couronne périphérique du substrat receveur (cette énergie convenable étant déterminée en inspectant la couronne périphérique du reliquat du substrat donneur après détachement) et en utilisant une énergie d'implantation dans ladite gamme (ou inférieure ou égale à la valeur identifiée) pour transférer une couche monocristalline semi-conductrice du substrat donneur sur le substrat receveur. Eventuellement, si l'énergie d'implantation utilisée correspond à une épaisseur de la couche transférée inférieure à l'épaisseur souhaitée pour la couche mince semi- conductrice de la structure SeOI finale, on met en œuvre une épitaxie sur la couche transférée jusqu'à l'obtention de l'épaisseur souhaitée.
L'invention permet donc, dans un premier temps, de déterminer, pour une structure SeOI particulière à fabriquer, une énergie convenable d'implantation pour les deux espèces à implanter pour former la zone de fragilisation.
Ce procédé de détermination implique la fabrication de plusieurs structures
SeOI de test, correspondant chacune à différentes énergies de co-implantation, en vue de déterminer une fenêtre du procédé d'implantation permettant de limiter, voire d'éviter, la formation du « jagged edge ».
Plus précisément, la fabrication des structures SeOI de test comprend les étapes suivantes (cf. figure 5) :
(i) formation d'une couche diélectrique (typiquement, un oxyde) sur l'un au moins du substrat donneur 30 et du substrat receveur 10, (ii) co-implantation des espèces dans le substrat donneur 30 avec une énergie déterminée pour former la zone de fragilisation 31 ,
(iii) collage du substrat donneur 30 sur le substrat receveur 10 de telle sorte que ladite couche diélectrique soit à l'interface de collage,
(iv) détachement du substrat donneur 30 le long de la zone de fragilisation
(31 ) de sorte à transférer la couche 32 monocristalline semi-conductrice et récupérer un reliquat 34 du substrat donneur.
On utilise le reliquat 34 du substrat donneur pour déterminer si les conditions de co-implantation de l'étape (ii) ont conduit ou non à un phénomène de « jagged edge ».
A cet effet, on inspecte la couronne périphérique CP du reliquat 34 du substrat donneur par un équipement dénommé Edgescan™, qui permet d'observer les défauts présents à la périphérie d'un substrat, Un tel équipement est largement utilisé sur les lignes de production de structures SeOI et ne sera donc pas décrit en détail ici.
Cette inspection permet de parvenir aux conclusions suivantes :
- si la couronne du reliquat du substrat donneur présente des zones qui ont été transférées sur le substrat receveur (révélatrices du « jagged edge »), l'énergie d'implantation de l'étape (ii) est trop élevée ;
- si ladite couronne ne présente pas de zones transférées sur le substrat receveur (signifiant que le « jagged edge » ne s'est pas produit), l'énergie d'implantation de l'étape (ii) est convenable.
Eventuellement, on pourrait effectuer cette inspection sur la structure SeOI, qui correspond à l'empreinte en négatif du reliquat du substrat donneur. Toutefois, l'inspection du reliquat présente l'avantage de pouvoir être réalisée en parallèle du procédé de fabrication des structures SeOI qui se poursuit.
En effectuant cette démarche pour différentes énergies d'implantation, on détermine ainsi une gamme d'énergie d'implantation qui permet d'éviter la formation du « jagged edge ».
Ainsi, pour la fabrication ultérieure des structures SeOI, on utilisera une énergie d'implantation située dans ladite gamme.
La fabrication de ces structures SeOI est réalisée selon le procédé Smart Cut™ et permet d'obtenir une structure SeOI telle qu'illustrée sur la figure 5 sensiblement dépourvue de « jagged edge ». Le reliquat du substrat donneur peut quant à lui être éliminé ou recyclé pour une autre utilisation.
Comme on le voit sur la figure 5, l'épaisseur de la couche 32 transférée sur le substrat receveur est notée E1 .
Dans le cas où l'on souhaite pour la couche mince de la structure SeOI une épaisseur E2 supérieure à E1 , on obtient cette épaisseur supplémentaire en mettant en œuvre une étape d'épitaxie sur la couche transférée 32 jusqu'à l'obtention de l'épaisseur E2 souhaitée (couche finale 33 illustrée sur la figure 6).
La gamme d'énergie d'implantation convenable peut varier selon l'épaisseur de la couche d'oxyde enterrée. Par conséquent, on pourra mettre en œuvre le procédé de détermination décrit plus haut pour des structures SeOI présentant des caractéristiques (en termes de matériaux, d'épaisseur de la couche d'oxyde, etc.) différentes.
Bien que l'hélium et l'hydrogène ne soient généralement pas implantés avec la même énergie, l'énergie d'implantation de l'hélium est définie en fonction de l'énergie d'implantation de l'hydrogène : l'énergie d'implantation de l'hydrogène est déterminée pour obtenir une profondeur déterminée de la zone de fragilisation, puis l'énergie d'implantation de l'hélium est déterminée pour que le pic d'implantation de l'hélium soit au voisinage du pic d'implantation de l'hydrogène. Par conséquent, dans la présente invention, il suffit de déterminer l'énergie convenable d'implantation de l'hydrogène, et l'homme du métier est ensuite en mesure de déterminer l'énergie d'implantation de l'hélium à utiliser.
Les figures 7A à 7C sont des vues d'une inspection par Edgescan™ de la couronne périphérique CP du reliquat du substrat donneur de silicium d'une structure SOI avec une couche d'oxyde de 1 μιτι d'épaisseur pour différentes énergies d'implantation d'hydrogène comprises entre 32 keV et 68 keV. La figure 7A correspond à une profondeur d'implantation de 350 nm, la figure 7B à une profondeur de 420 nm et la figure 7C à une profondeur de 600 nm. Bien que le substrat donneur soit circulaire, l'image obtenue par Edgescan™ représente le contour du substrat sous la forme d'une droite.
Sur la figure 7A, la couronne périphérique CP (qui correspond à une épaisseur de silicium non transférée sur le substrat receveur), dont la limite par rapport à la partie centrale du substrat est désignée par la flèche épaisse, est sensiblement régulière. On note que cette couronne présente un aspect bullé qui est dû à l'implantation.
Sur la figure 7B, on observe que la couronne périphérique est moins régulière. Notamment, les zones désignées par les flèches épaisses correspondent à un transfert du silicium du substrat donneur sur le substrat receveur.
Sur la figure 7C, on observe qu'à l'exception de quelques zones désignées par les flèches épaisses, le silicium de la couronne périphérique a été transféré sur le substrat receveur (l'aspect de la couronne périphérique étant similaire à celui de la partie centrale du substrat). Ceci semble s'expliquer par le fait que la couche à transférer était assez rigide et que le détachement était assez violent pour que le substrat donneur, qui n'était initialement pas collé au substrat receveur dans la région du chanfrein, s'est plaqué jusqu'à son bord contre le substrat receveur, ce qui a conduit à un transfert de la quasi-totalité du substrat donneur sur le substrat receveur.
On déduit de ces figures que lés énergies d'implantation conduisant à des profondeurs d'implantation de 420 et 600 nm induisent un phénomène de « jagged edge » et sont donc trop élevées. En revanche, une énergie d'implantation conduisant à une profondeur d'implantation de 350 nm est convenable.
Par conséquent, pour la fabrication des SOI présentant une couche d'oxyde de 1 μηι d'épaisseur, on effectuera avantageusement une co-implantation d'hydrogène et d'hélium pour atteindre une profondeur d'implantation d'au plus 370 nm. Eventuellement, si la couche de silicium du SOI doit présenter une épaisseur supérieure à l'épaisseur de la couche transférée, on obtiendra l'épaisseur requise au moyen d'une épitaxie.
REFERENCES
WO 2009/0341 13

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de détermination d'une énergie convenable d'implantation d'au moins deux espèces atomiques dans un substrat donneur (30) pour créer une zone de fragilisation (31 ) définissant une couche (32) monocristalline semi- conductrice à transférer sur un substrat receveur (10), comprenant les étapes suivantes :
(i) formation d'une couche diélectrique sur l'un au moins du substrat donneur (30) et du substrat receveur (10),
(ii) co-implantation desdites espèces dans le substrat donneur (30) avec une énergie déterminée pour former la zone de fragilisation (31 ),
(iii) collage du substrat donneur (30) sur le substrat receveur (10) de telle sorte que ladite couche diélectrique soit à l'interface de collage,
(iv) détachement du substrat donneur (30) le long de la zone de fragilisation (31 ) de sorte à transférer la couche (32) monocristalline semi-conductrice et récupérer un reliquat (34) du substrat donneur,
(v) inspection de la couronne périphérique du reliquat (34) du substrat donneur ou du substrat receveur (10) sur lequel la couche monocristalline semi-conductrice (32) a été transférée à l'étape (iv),
(vi) si ladite couronne présente des zones transférées sur le substrat receveur, détermination du fait que l'énergie d'implantation de l'étape (ii) est trop élevée,
(vii) si ladite couronne ne présente pas de zones transférées sur le substrat receveur, détermination du fait que l'énergie d'implantation de l'étape (ii) est convenable.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel on met en œuvre l'étape (ii) sur plusieurs substrats donneurs avec des énergies d'implantation respectives différentes et l'on détermine, à partir de l'inspection du reliquat (34) du substrat donneur ou du substrat receveur (10) sur lequel la couche monocristalline semi-conductrice (32) a été transférée obtenu pour chacune desdites énergies d'implantation, une gamme d'énergie d'implantation convenable. Procédé selon la revendication 2, dans lequel on détermine l'énergie d'implantation maximale dans ladite gamme d'énergie d'implantation convenable et l'on en déduit l'épaisseur maximale de la couche (32) monocristalline semi-conductrice à transférer sur le substrat receveur.
Procédé de fabrication d'une structure de type semi-conducteur sur isolant par transfert d'une couche monocristalline semi-conductrice d'un substrat donneur (30) vers un substrat receveur (10), comprenant les étapes suivantes :
(a) détermination d'une énergie d'implantation convenable par le procédé selon l'une des revendications 1 à 3,
(b) formation d'une couche diélectrique sur l'un au moins du substrat receveur (10) et du substrat donneur (30),
(c) co-implantation d'espèces atomiques, telles que de l'hydrogène et de l'hélium, avec l'énergie d'implantation déterminée à l'étape (a), pour créer une zone de fragilisation (31 ) dans le substrat donneur (30) de manière à définir une couche (32) monocristalline semi-conductrice à transférer,
(d) collage par adhésion moléculaire du substrat donneur (30) sur un substrat receveur (10), ladite couche diélectrique étant à l'interface de collage,
(e) détachement du substrat donneur (30) selon la zone de fragilisation (31 ), de sorte à transférer la couche (32) monocristalline semi-conductrice sur le substrat receveur.
Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'énergie d'implantation convenable déterminée à l'étape (a) correspond à une épaisseur (E1 ) de la couche transférée à l'étape (e) inférieure à l'épaisseur (E2) souhaitée pour la couche (33) monocristalline semi-conductrice de la structure semi-conducteur sur isolant, ledit procédé comprenant en outre, après l'étape (e), une étape (f) d'épitaxie sur la couche (32) transférée sur le substrat receveur (10) jusqu'à l'obtention de l'épaisseur (E2) souhaitée.
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