WO2021234280A1 - Procede de fabrication d'un substrat semi-conducteur sur isolant pour applications radiofrequences - Google Patents

Procede de fabrication d'un substrat semi-conducteur sur isolant pour applications radiofrequences Download PDF

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WO2021234280A1
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substrate
layer
donor substrate
semiconductor
electrically insulating
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PCT/FR2021/050874
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Inventor
Isabelle Bertrand
Walter Schwarzenbach
Frédéric ALLIBERT
Original Assignee
Soitec
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
    • H01L21/76—Making of isolation regions between components
    • H01L21/762—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers
    • H01L21/7624—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology
    • H01L21/76251—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology using bonding techniques
    • H01L21/76254—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology using bonding techniques with separation/delamination along an ion implanted layer, e.g. Smart-cut, Unibond

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor-on-insulator substrate for radiofrequency applications.
  • Radio frequency electronic components formed in or on semiconductor substrates are particularly sensitive to attenuation phenomena caused by the properties of said substrates.
  • semiconductor substrates in particular solid silicon, having a high electrical resistivity, that is to say greater than 500 Q.cm.
  • semiconductor-on-insulator substrates of the FDSOI type appear to be interesting alternatives to semi-conductor substrates.
  • the FDSOI substrates successively comprise a support substrate, an electrically insulating layer and a thin semiconductor layer in or on which electronic components can be manufactured.
  • the semiconductor layer has a sufficiently thin thickness to allow complete depletion of the conduction channel of a transistor formed in said layer.
  • Such a layer typically has a thickness of a few tens of nanometers.
  • the electrically insulating layer which generally consists of an oxide, is also frequently called BOX (acronym for the English term “Buried OXide” or buried oxide).
  • BOX acronym for the English term "Buried OXide” or buried oxide.
  • the manufacturing process for FDSOI substrates aims to ensure high precision of the thickness of the semiconductor layer and of the electrically insulating layer as well as high uniformity of these thicknesses, both within a substrate and a substrate. substrate to another within the same production batch.
  • FIGS. 1 A to 1 C The process for manufacturing an FDSOI substrate is shown schematically in FIGS. 1 A to 1 C.
  • This process implements a layer transfer from a donor substrate to a support substrate, also known under the name of the Smart Cut TM process.
  • a donor substrate for example of silicon
  • an electrically insulating layer for example of silicon oxide (S1O2).
  • Said weakening zone 11 defines a thin layer 12 to be transferred.
  • the donor substrate 1 thus implanted is glued on a support substrate 2 via the electrically insulating layer 10 which then fulfills the function of a bonding layer.
  • the support substrate 2 can advantageously be a semiconductor substrate, for example of silicon, with high electrical resistivity.
  • the bonding can be reinforced by heat treatment.
  • the donor substrate 1 is detached along the weakening zone 11, which leads to the transfer of the thin layer 12 onto the support substrate 2.
  • the initiation of the detachment can be carried out by means of 'heat treatment.
  • a finishing treatment is then carried out on the transferred layer, so as to cure the defects associated with the implantation and to smooth the free surface of said layer.
  • a semiconductor-on-insulator substrate is thus obtained.
  • the target thickness for the transferred semiconductor layer is between 4 nm and 100 nm, with a maximum variation of ⁇ 5 ⁇ from the target value, within each substrate and between the different substrates produced by the process.
  • Such uniformity and a very low roughness of the transferred layer can be obtained by a so-called “batch anneal” finishing process, which is a long smoothing process, at high temperature, advantageously carried out in an oven making it possible to treat a plurality of substrates. the same time.
  • Such a “batch anneal” is typically carried out at a temperature of between 1150 and 1200 ° C., for a period of several minutes, generally greater than 15 minutes. This smoothing makes it possible to bring the transferred semiconductor layer to a level of surface roughness compatible with the subsequent manufacture of transistors.
  • this method is penalizing for radiofrequency applications, in particular for extremely high frequency applications, that is to say in a frequency band between 30 and 300 GHz.
  • This frequency band is also called "mmWave”.
  • the support substrate has high electrical resistivity and therefore lightly doped.
  • the support substrate is generally substantially less doped (for example doped with boron) than the donor substrate, in other words, less doped than the transferred thin film.
  • the boron atoms diffuse through the electrically insulating layer in the support substrate, leading to a reduction in the electrical resistivity in a surface portion extending from the electrically insulating layer.
  • An aim of the invention is to define a method for manufacturing a semiconductor-on-insulator substrate of the FDSOI type suitable for radiofrequency applications, making it possible to maintain a high resistivity of the support substrate even in the vicinity of the electrically insulating layer.
  • the invention provides a method of manufacturing a semiconductor-on-insulator type substrate for radiofrequency applications, comprising the following steps:
  • the thin semiconductor layer and the electrically insulating layer being at the bonding interface
  • formation of the sacrificial layer includes oxidation of the material of the donor substrate.
  • the removal of the sacrificial layer comprises wet etching of said layer.
  • the removal of the sacrificial layer can further comprise the removal of a surface portion of the thin layer to be transferred from the donor substrate.
  • the donor substrate is doped with boron.
  • forming the electrically insulating layer includes depositing an oxide on the support substrate.
  • the formation of the electrically insulating layer is accomplished by oxidation of the support substrate.
  • the electrically insulating layer has a thickness between 10 and 150 nm.
  • the transferred semiconductor layer has a thickness between 4 and 100 nm.
  • FIG. 1A is a schematic sectional view of the implantation of atomic species through an electrically insulating layer arranged on a donor substrate;
  • Figure 1B is a schematic sectional view of the bonding of the donor substrate having undergone the implantation of Figure 1A on a support substrate;
  • Figure 1C is a schematic sectional view of the transfer of a thin layer from the donor substrate to the support substrate of Figure 1B;
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of the formation of a sacrificial layer on a donor substrate
  • FIG. 3 is a schematic sectional view of the implantation of atomic species in the donor substrate of Figure 2 through the sacrificial layer;
  • Figure 4 is a schematic sectional view of the removal of the sacrificial layer from the donor substrate after the implantation of Figure 3;
  • FIG. 5 is a schematic sectional view of the formation of an electrically insulating layer on a support substrate
  • - Figure 6 is a schematic sectional view of the bonding of the donor substrate of Figure 4 and the support substrate of Figure 5;
  • FIG. 7 is a schematic sectional view of the transfer of a thin layer of the donor substrate on the support substrate to form an FDSOI substrate.
  • the method of manufacturing an FDSOI substrate is modified to achieve bonding of the donor substrate on the support substrate by means of an electrically insulating layer formed on the support substrate and not on the donor substrate.
  • the support substrate is not doped or at least has a concentration of P-type dopants less than or equal to 1 E 13 at / cm 3 .
  • the electrically insulating layer does not contain a significant concentration of dopants capable of diffusing into the support substrate during subsequent heat treatments.
  • An electrically insulating layer remains useful on the surface of the donor substrate to reduce the impact of direct trajectories of atomic species during implantation (a phenomenon known as "channeling").
  • this layer is sacrificial in that it is removed after implantation, before bonding.
  • Figure 2 illustrates the formation of such a sacrificial layer 13 on the donor substrate 1.
  • the donor substrate is a monocrystalline semiconductor substrate, for example of silicon.
  • the donor substrate is lightly doped P.
  • the donor substrate contains boron atoms with a concentration less than or equal to 1 E 15 at / cm 3 .
  • a donor substrate thus doped is in fact less expensive and more standard than an undoped donor substrate.
  • the sacrificial layer 13 is an electrically conductive layer, in particular of an oxide of the material of the donor substrate 1.
  • the sacrificial layer 13 is advantageously formed by thermal oxidation of the donor substrate 1. Such thermal oxidation consumes a surface portion of the material of the donor substrate. .
  • the sacrificial layer advantageously has a thickness of between 4 and 150 nm and preferably between 10 and 40 nm.
  • an implantation of ionic species shown diagrammatically by the arrows) in the donor substrate 1 is implemented through the sacrificial layer.
  • the implanted species usually include hydrogen and / or helium.
  • the dose and energy of the implanted species is chosen to form a weakening zone 11 in the donor substrate 1, at a determined depth to define, between the sacrificial layer 13 and the weakening zone 11, a thin layer 12 to be transferred.
  • the sacrificial layer 13 is then removed. Thus, even if the sacrificial layer contains dopants originating from the donor substrate, it is not present during the subsequent bonding.
  • the removal of the sacrificial layer can be carried out, for example, by wet etching. Those skilled in the art are able to choose the appropriate engraving solution. This etching leaves the surface of the donor substrate sufficiently smooth and free from defects to allow subsequent bonding of good quality.
  • the removal of the sacrificial layer can optionally be followed by the removal of a surface portion of the thin layer 12 to be transferred.
  • the removal of this surface portion can be carried out by any suitable means, for example by thermal oxidation or by chemical etching, which makes it possible not to degrade the uniformity of the transferred layer. Less preferably, chemical mechanical polishing could be used.
  • an electrically insulating layer 20 is also formed on the support substrate 2.
  • the support substrate 2 is a semiconductor substrate, for example of silicon, having a high electrical resistivity, for example greater than 500 Q.cm, preferably greater than or equal to 1000 Q.cm.
  • the support substrate is a silicon substrate having a high content of interstitial oxygen, that is to say a content greater than 20 old ppma (for the definition of the old ppma unit, reference may be made to to the memoir of Robert Kurt Graupner, “A Study of Oxygen Precipitation in Heavily Doped Silicon” (1989), Dissertations and Theses, Paper 1218).
  • Such a substrate is generally designated by the abbreviation “HiOi”.
  • the interstitial oxygen atoms are liable to precipitate under the effect of a heat treatment so as to form a large quantity of defects, called “Bulk Micro Defects" (BMD), formed by the oxygen precipitates, which block the particles.
  • the method comprises, prior to bonding, a step of heat treatment of the support substrate at a temperature sufficient to precipitate the interstitial oxygen and form said BMDs.
  • a heat treatment can typically by a thermal cycle reaching a temperature of the order of 1000 ° C for 12 hours.
  • a HiOi substrate generally comprises a large quantity of crystal defects called COPs (acronym for the English term “crystal originated particles”), which are undesirable in an FDSOI substrate.
  • the manufacturing process therefore comprises a heat treatment of the "depletion" type, aimed at diffusing the oxygen out of the support substrate.
  • this treatment can be carried out simultaneously with the heat treatment for precipitation of the interstitial oxygen, provided that the surface of the support substrate is free, that is to say not oxidized, to allow the oxygen to diffuse out. of the substrate.
  • this precipitation / diffusion heat treatment must be carried out prior to the formation of the electrically insulating layer on the support substrate.
  • the support substrate a silicon substrate having a low or medium content of interstitial oxygen, that is to say a content of less than 10, respectively between 10 and 20 old ppma.
  • a silicon substrate having a low or medium content of interstitial oxygen, that is to say a content of less than 10, respectively between 10 and 20 old ppma.
  • Such a substrate is generally designated by the abbreviation "LowOi”, respectively "MidOi”.
  • the aforementioned precipitation and / or diffusion heat treatments are not necessary.
  • the electrically insulating layer 20 is advantageously an oxide layer, in order to ensure good quality bonding with the semiconductor material of the donor substrate 1.
  • the electrically insulating layer can be formed by a deposition process, in particular chemical vapor deposition (CVD, acronym for the English term “Chemical Vapor Deposition”) or by thermal oxidation treatment of the support substrate.
  • CVD chemical vapor deposition
  • thermal oxidation treatment of the support substrate in particular thermal oxidation treatment
  • the thickness of the electrically insulating layer 20 is between 10 and 150 nm.
  • the donor substrate 1 and the recipient substrate 2 are brought into contact, the thin layer 12 to be transferred and the electrically insulating layer 20 being at the bonding interface. There is then a bonding by molecular adhesion between the oxide of the layer 20 and the semiconductor material of the layer 12.
  • the bonding can optionally be reinforced by a method of preparing the electrically insulating surface, for example by an oxygen plasma.
  • the manufacturing steps subsequent to bonding remain unchanged from the existing FDSOI substrate manufacturing process, the process thus being compatible with existing industrial manufacturing lines and not affecting the physical and electrical properties of the product.
  • the donor substrate 1 is detached along the weakening zone 11.
  • said detachment can be caused by the application of a mechanical stress in the vicinity of the zone of weakening. embrittlement, by heat treatment or by any other suitable means.
  • the thin layer 12 has been transferred from the donor substrate to the support substrate and an FDSOI structure is obtained comprising the support substrate 2, the electrically insulating bonding layer 2 and the transferred layer 12 (cf. figure 7).
  • finishing treatment includes in particular thermal smoothing of the transferred layer (“batch anneal”) as mentioned in the introduction.
  • this smoothing process consists of placing a batch of FDSOI structures in an oven, in carrying out a slow rise in temperature from room temperature (20 ° C) to a temperature of the order of 1500 to 1200 ° C, then maintaining the structures at this temperature for a period of several minutes, preferably greater than 15 minutes.
  • the inventors consider that the formation of the protective oxide layer on the donor substrate could be the cause of a phenomenon of accumulation of dopants at the interface between the donor substrate and said oxide layer, which would diffuse after bonding the donor substrate to the support substrate.
  • the removal of this layer which is made sacrificial (and possibly the surface portion of the underlying thin layer to be transferred) thus seems to eliminate or at least reduce this accumulation of dopants.
  • the thermal budget of this smoothing process is high enough to allow diffusion of the dopants present in the structure, the dopants of the donor substrate are sufficiently removed from the support substrate by the electrically insulating layer (which does not contain such dopants) to do not diffuse into the support substrate. Therefore, the electrical resistivity of the support substrate is not affected, even in its portion near the bonding interface.
  • the FDSOI structure thus formed is therefore fully functional for radiofrequency applications, in particular in the mmWave band.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un substrat de type semi- conducteur sur isolant pour applications radiofréquences, comprenant les étapes suivantes : - fourniture d'un substrat donneur (1) semi-conducteur dopé de type P, - formation d'une couche sacrificielle (13) sur le substrat donneur, - implantation d'espèces atomiques au travers de ladite couche sacrificielle (13), de sorte à former dans le substrat donneur (1) une zone de fragilisation (11) délimitant une couche mince (12) semi-conductrice à transférer, - retrait de la couche sacrificielle (13) du substrat donneur (1) après ladite implantation, - fourniture d'un substrat support (2) semi-conducteur présentant une résistivité électrique supérieure ou égale à 500 Ω. cm, - formation d'une couche (20) électriquement isolante sur le substrat support (2), - collage du substrat donneur (1) sur le substrat support (2), la couche mince (12) semi-conductrice et la couche (20) électriquement isolante étant à l'interface de collage, - détachement du substrat donneur (1) le long de la zone de fragilisation (11) de sorte à transférer la couche mince (12) semi-conductrice du substrat donneur (1) sur le substrat support (2).

Description

PROCEDE DE FABRICATION D’UN SUBSTRAT SEMI-CONDUCTEUR SUR ISOLANT POUR APPLICATIONS RADIOFREQUENCES
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un procédé de fabrication d’un substrat semi- conducteur sur isolant pour applications radiofréquences.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Les composants électroniques radiofréquences formés dans ou sur des substrats semi-conducteurs sont particulièrement sensibles à des phénomènes d’atténuation causés par les propriétés desdits substrats.
A cet effet, on utilise habituellement des substrats semi-conducteurs, notamment de silicium massif, présentant une résistivité électrique élevée, c’est-à-dire supérieure à 500 Q.cm.
Par ailleurs, les substrats semi-conducteurs sur isolant de type FDSOI (acronyme du terme anglo-saxon « Fully Depleted Semiconductor On Insulator », c’est-à-dire semiconducteur sur isolant totalement dépiété), apparaissent comme des alternatives intéressantes aux substrats semi-conducteurs massifs. Les substrats FDSOI comprennent successivement un substrat support, une couche électriquement isolante et une couche mince semi-conductrice dans ou sur laquelle peuvent être fabriqués des composants électroniques. Dans un substrat FDSOI, la couche semi-conductrice présente une épaisseur suffisamment fine pour permettre une déplétion complète du canal de conduction d’un transistor formé dans ladite couche. Une telle couche présente typiquement une épaisseur de quelques dizaines de nanomètres. La couche électriquement isolante, qui est généralement constituée d’un oxyde, est également fréquemment appelée BOX (acronyme du terme anglo-saxon « Buried OXide » ou oxyde enterré). Le procédé de fabrication des substrats FDSOI vise à assurer une grande précision de l’épaisseur de la couche semi- conductrice et de la couche électriquement isolante ainsi qu’une grande uniformité de ces épaisseurs, tant au sein d’un substrat que d’un substrat à l’autre au sein d’un même lot de fabrication.
Il pourrait donc être intéressant, pour les applications radiofréquences, de former des substrats FDSOI avec des substrats supports constitués d’un matériau semi- conducteur à haute résistivité électrique.
Le procédé de fabrication d’un substrat FDSOI est schématisé sur les figures 1 A à 1 C. Ce procédé met en oeuvre un transfert de couche d’un substrat donneur vers un substrat support, également connu sous le nom de procédé Smart Cut™. En référence à la figure 1A, on fournit un substrat donneur 1 , par exemple de silicium, recouvert d’une couche 10 électriquement isolante, par exemple d’oxyde de silicium (S1O2).
Comme schématisé par les flèches, on met en oeuvre une implantation d’espèces ioniques, telles que de l’hydrogène et/ou de l’hélium, au travers de la couche électriquement isolante 10, de sorte à former une zone de fragilisation 11 dans le substrat donneur 1 . Ladite zone de fragilisation 11 définit une couche mince 12 à transférer.
En référence à la figure 1 B, on colle le substrat donneur 1 ainsi implanté sur un substrat support 2 par l’intermédiaire de la couche électriquement isolante 10 qui remplit alors la fonction de couche de collage. Le substrat support 2 peut avantageusement être un substrat semi-conducteur, par exemple de silicium, à haute résistivité électrique. Le collage peut être renforcé par un traitement thermique.
En référence à la figure 1 C, on détache le substrat donneur 1 le long de la zone de fragilisation 11 , ce qui conduit au transfert de la couche mince 12 sur le substrat support 2. L’initiation du détachement peut être réalisée au moyen d’un traitement thermique.
On met ensuite en oeuvre un traitement de finition de la couche transférée, de sorte à guérir les défauts liés à l’implantation et à lisser la surface libre de ladite couche.
On obtient ainsi un substrat semi-conducteur sur isolant.
Dans le cas d’un substrat FDSOI, l’épaisseur cible pour la couche semi-conductrice transférée est comprise entre 4 nm et 100 nm, avec une variation maximale de ± 5 Â par rapport à la valeur cible, au sein de chaque substrat et entre les différents substrats fabriqués par le procédé. Une telle uniformité et une très faible rugosité de la couche transférée peuvent être obtenues par un procédé de finition dit « batch anneal », qui est un procédé de lissage long, à haute température, avantageusement réalisé dans un four permettant de traiter une pluralité de substrats en même temps. Un tel « batch anneal » est typiquement mis en oeuvre à une température comprise entre 1150 et 1200°C, pendant une durée de plusieurs minutes, généralement supérieure à 15 minutes. Ce lissage permet d’amener la couche semi-conductrice transférée à un niveau de rugosité de surface compatible avec la fabrication ultérieure de transistors.
Cependant, ce procédé est pénalisant pour les applications radiofréquences, notamment pour les applications à extrêmement haute fréquence, c’est-à-dire dans une bande de fréquences comprise entre 30 et 300 GHz. Cette bande de fréquences est également appelée « mmWave ».
En effet, le substrat support est à haute résistivité électrique et de ce fait faiblement dopé. Ainsi, le substrat support est généralement sensiblement moins dopé (par exemple dopé au bore) que le substrat donneur, autrement dit, moins dopé que la couche mince transférée. Or, en raison de cette différence de niveau de dopage entre la couche mince transférée et le substrat support, sous l’effet du budget thermique important du traitement de finition du substrat FDSOI et, dans une moindre mesure, sous l’effet du budget thermique du collage et/ou du détachement, les atomes de bore diffusent au travers de la couche électriquement isolante dans le substrat support, conduisant à une réduction de la résistivité électrique dans une portion superficielle s’étendant à partir de la couche électriquement isolante.
Or, même si cette portion superficielle ne s’étend que sur quelques micromètres de profondeur dans le substrat support, la baisse de résistivité électrique dans cette zone engendre des pertes électriques importantes pour des ondes de type mmWave.
EXPOSE DE L'INVENTION
Un but de l’invention est de définir un procédé de fabrication d’un substrat semi- conducteur sur isolant de type FDSOI adapté à des applications radiofréquences, permettant de maintenir une haute résistivité du substrat support même au voisinage de la couche électriquement isolante.
A cet effet, l’invention propose un procédé de fabrication d’un substrat de type semi- conducteur sur isolant pour applications radiofréquences, comprenant les étapes suivantes :
- fourniture d’un substrat donneur semi-conducteur dopé de type P,
- formation d’une couche sacrificielle sur le substrat donneur,
- implantation d’espèces atomiques au travers de ladite couche sacrificielle, de sorte à former dans le substrat donneur une zone de fragilisation délimitant une couche mince semi-conductrice à transférer,
- retrait de la couche sacrificielle du substrat donneur après ladite implantation,
- fourniture d’un substrat support semi-conducteur présentant une résistivité électrique supérieure ou égale à 500 Q.cm,
- formation d’une couche électriquement isolante sur le substrat support,
- collage du substrat donneur sur le substrat support, la couche mince semi- conductrice et la couche électriquement isolante étant à l’interface de collage,
- détachement du substrat donneur le long de la zone de fragilisation de sorte à transférer la couche mince semi-conductrice du substrat donneur sur le substrat support.
Ainsi, en utilisant une couche de collage formée sur le substrat support et non sur le substrat donneur, et en retirant la couche sacrificielle du substrat donneur avant le collage, on évite que des atomes de dopants contenus dans la couche de collage ne diffusent dans le substrat support malgré la différence de niveau de dopage entre la couche mince transférée et le substrat support et ne provoquent une diminution de la résistivité électrique du substrat support. Par ailleurs, les étapes de fabrication des substrats FDSOI postérieures au collage restent inchangées, de sorte que ce procédé est compatible avec les lignes de fabrication industrielles existantes.
Dans certains modes de réalisation, la formation de la couche sacrificielle comprend une oxydation du matériau du substrat donneur.
Dans certains modes de réalisation, le retrait de la couche sacrificielle comprend une gravure humide de ladite couche.
De manière optionnelle, le retrait de la couche sacrificielle peut comprendre en outre un retrait d’une portion superficielle de la couche mince à transférer du substrat donneur.
Dans certains modes de réalisation, le substrat donneur présente un dopage au bore.
Dans certains modes de réalisation, la formation de la couche électriquement isolante comprend un dépôt d’un oxyde sur le substrat support.
Dans d’autres modes de réalisation, la formation de la couche électriquement isolante est réalisée par une oxydation du substrat support.
Dans certains modes de réalisation, la couche électriquement isolante présente une épaisseur comprise entre 10 et 150 nm.
Dans certains modes de réalisation, la couche semi-conductrice transférée présente une épaisseur comprise entre 4 et 100 nm.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1A est une vue schématique en coupe de l’implantation d’espèces atomiques au travers d’une couche électriquement isolante agencée sur un substrat donneur ;
- la figure 1B est une vue schématique en coupe du collage du substrat donneur ayant subi l’implantation de la figure 1A sur un substrat support ;
- la figure 1C est une vue schématique en coupe du transfert d’une couche mince du substrat donneur sur le substrat support de la figure 1 B ;
- la figure 2 est une vue schématique en coupe de la formation d’une couche sacrificielle sur un substrat donneur ;
- la figure 3 est une vue schématique en coupe de l’implantation d’espèces atomiques dans le substrat donneur de la figure 2 au travers de la couche sacrificielle ;
- la figure 4 est une vue schématique en coupe du retrait de la couche sacrificielle du substrat donneur après l’implantation de la figure 3 ;
- la figure 5 est une vue schématique en coupe de la formation d’une couche électriquement isolante sur un substrat support ; - la figure 6 est une vue schématique en coupe du collage du substrat donneur de la figure 4 et du substrat support de la figure 5 ;
- la figure 7 est une vue schématique en coupe du transfert d’une couche mince du substrat donneur sur le substrat support pour former un substrat FDSOI.
Pour des raisons de lisibilité des figures, les différentes couches n’ont pas nécessairement été représentées à l’échelle.
Les signes de référence identiques d’une figure à l’autre désignent des éléments similaires ou tout au moins remplissant la même fonction.
DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION
Le procédé de fabrication d’un substrat FDSOI est modifié pour réaliser le collage du substrat donneur sur le substrat support par l’intermédiaire d’une couche électriquement isolante formée sur le substrat support et non sur le substrat donneur. Contrairement au substrat donneur, le substrat support n’est pas dopé ou tout au moins présente une concentration en dopants de type P inférieure ou égale à 1 E13 at/cm3. Ainsi, la couche électriquement isolante ne contient pas une concentration significative en dopants susceptibles de diffuser dans le substrat support lors de traitements thermiques ultérieurs.
Une couche électriquement isolante reste utile à la surface du substrat donneur pour réduire l’impact des trajectoires directes des espèces atomiques lors de l’implantation (phénomène connu sous le terme anglo-saxon de « channeling »). Cependant, cette couche est sacrificielle dans la mesure où elle est retirée après l’implantation, avant le collage.
La figure 2 illustre la formation d’une telle couche sacrificielle 13 sur le substrat donneur 1 .
Le substrat donneur est un substrat semi-conducteur monocristallin, par exemple de silicium. Généralement, le substrat donneur est légèrement dopé P. Par exemple, le substrat donneur contient des atomes de bore avec une concentration inférieure ou égale à 1 E15 at/cm3. Un substrat donneur ainsi dopé est en effet moins onéreux, plus standard qu’un substrat donneur non dopé.
La couche sacrificielle 13 est une couche électriquement conductrice, notamment d’un oxyde du matériau du substrat donneur 1. La couche sacrificielle 13 est avantageusement formée par oxydation thermique du substrat donneur 1. Une telle oxydation thermique consomme une portion superficielle du matériau du substrat donneur. Pour éviter le phénomène de « channeling », la couche sacrificielle présente avantageusement une épaisseur comprise entre 4 et 150 nm et préférentiellement entre 10 et 40 nm. En référence à la figure 3, on met en oeuvre une implantation d’espèces ioniques (schématisée par les flèches) dans le substrat donneur 1 au travers de la couche sacrificielle.
Les espèces implantées comprennent habituellement de l’hydrogène et/ou de l’hélium.
La dose et l’énergie des espèces implantées est choisie pour former une zone de fragilisation 11 dans le substrat donneur 1 , à une profondeur déterminée pour délimiter, entre la couche sacrificielle 13 et la zone de fragilisation 11 , une couche mince 12 à transférer.
En référence à la figure 3, on retire ensuite la couche sacrificielle 13. Ainsi, même si la couche sacrificielle contient des dopants provenant du substrat donneur, elle n’est pas présente lors du collage ultérieur.
Le retrait de la couche sacrificielle peut être effectué par exemple par gravure humide. L’homme du métier est en mesure de choisir la solution de gravure adaptée. Cette gravure laisse la surface du substrat donneur suffisamment peu rugueuse et exempte de défauts pour permettre un collage ultérieur de bonne qualité.
Le retrait de la couche sacrificielle peut éventuellement être suivi du retrait d’une portion superficielle de la couche mince 12 à transférer. Le retrait de cette portion superficielle, dont l’épaisseur est typiquement de l’ordre de quelques nanomètres, peut être effectué par tout moyen adapté, par exemple par oxydation thermique ou par gravure chimique, qui permet de ne pas dégrader l’uniformité de la couche transférée. De manière moins préférée, un polissage mécano-chimique pourrait être utilisé.
En référence à la figure 4, on forme par ailleurs une couche électriquement isolante 20 sur le substrat support 2.
Le substrat support 2 est un substrat semi-conducteur, par exemple de silicium, présentant une résistivité électrique élevée, par exemple supérieure à 500 Q.cm, de préférence supérieure ou égale à 1000 Q.cm.
De manière particulièrement avantageuse, le substrat support est un substrat de silicium présentant une teneur élevée en oxygène interstitiel, c’est-à-dire une teneur supérieure à 20 old ppma (pour la définition de l’unité old ppma, on pourra se référer au mémoire de Robert Kurt Graupner, « A Study of Oxygen Précipitation in Heavily Doped Silicon » (1989), Dissertations and Theses, Paper 1218). Un tel substrat est généralement désigné par l’abréviation « HiOi ». Les atomes d’oxygène interstitiels sont susceptibles de précipiter sous l’effet d’un traitement thermique de sorte à former une grande quantité de défauts, appelés « Bulk Micro Defects » (BMD), constitués par les précipités d’oxygène, qui bloquent les dislocations générées lors de traitements thermiques à haute température, ce qui est avantageux pour préserver la qualité cristalline du substrat support. En pratique, pour utiliser un tel substrat HiOi pour fabriquer un substrat FDSOI, le procédé comprend, préalablement au collage, une étape de traitement thermique du substrat support à une température suffisante pour faire précipiter l’oxygène interstitiel et former lesdits BMD. Un tel traitement thermique peut typiquement par un cycle thermique atteignant une température de l’ordre de 1000°C durant 12 heures.
Par ailleurs, un substrat HiOi comprend généralement une grande quantité de défauts cristallins appelés COPs (acronyme du terme anglo-saxon « crystal originated particles »), qui sont indésirables dans un substrat FDSOI. De manière avantageuse, le procédé de fabrication comprend donc un traitement thermique de type « déplétion », visant à faire diffuser l’oxygène hors du substrat support. En pratique, ce traitement peut être réalisé simultanément au traitement thermique de précipitation de l’oxygène interstitiel, pour autant que la surface du substrat support soit libre, c’est-à-dire non oxydée, pour permettre la diffusion de l’oxygène hors du substrat. Dans ce cas, ce traitement thermique de précipitation / diffusion doit être réalisé préalablement à la formation de la couche électriquement isolante sur le substrat support.
De manière alternative, l’homme du métier pourra choisir pour le substrat support un substrat de silicium présentant une teneur faible ou moyenne en oxygène interstitiel, c’est-à-dire une teneur inférieure à 10, respectivement comprise entre 10 et 20 old ppma. Un tel substrat est généralement désigné par l’abréviation « LowOi », respectivement « MidOi ». Dans ce cas, les traitements thermiques de précipitation et/ou diffusion susmentionnés ne sont pas nécessaires.
La couche électriquement isolante 20 est avantageusement une couche d’oxyde, afin d’assurer un collage de bonne qualité avec le matériau semi-conducteur du substrat donneur 1.
La couche électriquement isolante peut être formée par un procédé de dépôt, notamment un dépôt chimique en phase vapeur (CVD, acronyme du terme anglo-saxon « Chemical Vapor Déposition ») ou par traitement thermique d’oxydation du substrat support.
De préférence, l’épaisseur de la couche électriquement isolante 20 est comprise entre 10 et 150 nm.
En référence à la figure 5, on met en contact le substrat donneur 1 et le substrat receveur 2, la couche mince 12 à transférer et la couche électriquement isolante 20 étant à l’interface de collage. Il se produit alors un collage par adhésion moléculaire entre l’oxyde de la couche 20 et le matériau semi-conducteur de la couche 12.
Le collage peut éventuellement être renforcé par un procédé de préparation de la surface électriquement isolante, par exemple par un plasma d’oxygène.
Comme indiqué plus haut, les étapes de fabrication postérieures au collage restent inchangées par rapport au procédé de fabrication de substrats FDSOI existant, le procédé étant ainsi compatible avec les lignes de fabrication industrielles existantes et n’affectant pas les propriétés physiques et électriques du produit.
En référence à la figure 6, on détache le substrat donneur 1 le long de la zone de fragilisation 11. De manière connue en elle-même, ledit détachement peut être provoqué par l’application d’une contrainte mécanique au voisinage de la zone de fragilisation, par un traitement thermique ou par tout autre moyen adapté.
A l’issue de ce détachement, la couche mince 12 a été transférée du substrat donneur sur le substrat support et l’on obtient une structure FDSOI comprenant le substrat support 2, la couche de collage électriquement isolante 2 et la couche transférée 12 (cf. figure 7).
Ladite structure est ensuite soumise à un traitement de finition classiquement mis en oeuvre pour les substrats FDSOI. Ce traitement de finition inclut notamment thermique de lissage de la couche transférée (« batch anneal ») tel que mentionné en introduction.
Dans certains modes de réalisation, ce procédé de lissage consiste à placer un lot de structures FDSOI dans un four, à effectuer une montée lente en température de la température ambiante (20°C) jusqu’à une température de l’ordre de 1500 à 1200°C, puis à maintenir les structures à cette température pendant une durée de plusieurs minutes, de préférence supérieure à 15 minutes.
Le retrait de la couche sacrificielle du substrat donneur avant le collage permet de manière surprenante d'atténuer la diffusion des dopants dans le substrat support et la détérioration du caractère hautement résistif de la structure finale.
Sans vouloir être liés par cette hypothèse, les inventeurs estiment que la formation de la couche d’oxyde de protection sur le substrat donneur pourrait être à l'origine d'un phénomène d'accumulation des dopants à l’interface entre le substrat donneur et ladite couche d’oxyde, qui diffuseraient après le collage du substrat donneur sur le substrat support. Le retrait de cette couche qui est rendue sacrificielle (et éventuellement la portion superficielle de la couche mince à transférer sous-jacente) semble ainsi supprimer ou tout au moins diminuer cette accumulation de dopants.
Bien que le budget thermique de ce procédé de lissage soit suffisamment élevé pour permettre une diffusion des dopants présents dans la structure, les dopants du substrat donneur sont suffisamment éloignés du substrat support par la couche électriquement isolante (qui ne contient pas de tels dopants) pour ne pas diffuser dans le substrat support. Par conséquent, la résistivité électrique du substrat support n’est pas affectée, même dans sa portion voisine de l’interface de collage.
La structure FDSOI ainsi formée est donc pleinement fonctionnelle pour des applications radiofréquence, notamment dans la bande mmWave.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d’un substrat de type semi-conducteur sur isolant pour applications radiofréquences, comprenant les étapes suivantes :
- fourniture d’un substrat donneur (1 ) semi-conducteur dopé de type P,
- formation d’une couche sacrificielle (13) sur le substrat donneur,
- implantation d’espèces atomiques au travers de ladite couche sacrificielle (13), de sorte à former dans le substrat donneur (1 ) une zone de fragilisation (11 ) délimitant une couche mince (12) semi-conductrice à transférer,
- retrait de la couche sacrificielle (13) du substrat donneur (1) après ladite implantation,
- fourniture d’un substrat support (2) semi-conducteur présentant une résistivité électrique supérieure ou égale à 500 Q.cm,
- formation d’une couche (20) électriquement isolante sur le substrat support (2),
- collage du substrat donneur (1 ) sur le substrat support (2), la couche mince (12) semi-conductrice et la couche (20) électriquement isolante étant à l’interface de collage,
- détachement du substrat donneur (1 ) le long de la zone de fragilisation (11 ) de sorte à transférer la couche mince (12) semi-conductrice du substrat donneur (1 ) sur le substrat support (2).
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel la formation de la couche sacrificielle (13) comprend une oxydation du matériau du substrat donneur (1).
3. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le retrait de la couche sacrificielle (13) comprend une gravure humide de ladite couche (13).
4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le retrait de la couche sacrificielle (13) comprend en outre un retrait d’une portion superficielle de la couche mince (12) à transférer du substrat donneur.
5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le substrat donneur
(1 ) présente un dopage au bore.
6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la formation de la couche (20) électriquement isolante comprend un dépôt d’un oxyde sur le substrat support
(2).
7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la formation de la couche (20) électriquement isolante comprend une oxydation du substrat support (2).
8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel la couche électriquement isolante (20) présente une épaisseur comprise entre 10 et 150 nm.
9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la couche (12) semi- conductrice transférée présente une épaisseur comprise entre 4 et 100 nm.
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