Brevet FR2598158A1 — publié le 19871106

PROCEDE DE FABRICATION DE COUCHES MINCES MONOCRISTALLINES DE SILICIUM SUR ISOLANT La présente invention concerne un procédé de fabrication ae couches minces monocristallines de silicium sur isolant, les défauts cristallins de cette couche de silicium étant localisés en des emplacements prédéterminés. De telles couches minces monocristallines de silicium sur isolant (SSI) ont principalement comme application la réalisation de circuits électroniques a haute densité dits circuits intégrés. De la façon la plus courante a l'heure actuelle, les circuits intégrés sont formés sur aes substrats de silicium cristallin massif (plaquette de silicium d'une épaisseur de l'ordre de quelques dixièmes de millimètres et d'un diamètre allant de 50 à 150 millimètres).Les avantages des circuits intégrés formés sur SSI par rapport aux circuits intégrés formés sur silicium massif sont aujourd'hui bien connus et se basent essentiellement sur la résistance au rayonnement ionisant des circuits formés sur SSI, sur la simplicité de l'isolement entre composants qui peuvent être isolés de façon satisfaisante aussi bien électriquement que thermiquement ce qui élimine de nombreux effets secondaires nocifs des circuits intégrés formés sur silicium massif. De façon classique, la structure SSI est formée d'un substrat de silicium sur lequel on a formé une couche isolante, couramment de l'oxyde de silicium SiO2, qui est ensuite recouverte d'une couche mince (d'une épaisseur de l'ordre de 10-3 mm) de silicium (dite couche de SSI). Le silicium déposé est, selon les modes de dépôt, polycristallin ou amorphe et il s'agit de le recristalliser. Pour effectuer cette recristallisation, divers procédés ont été utilisés parmi lesquels celui qui parait le plus prometteur actuellement consiste a revêtir la couche de silicium d'un produit encapsulant, à former sur un bord de la plaquette, par chauffage, une zone fondue et a déplacer cette zone fondue d'un bord a l'autre de la plaquette.Néanmoins, si ce procédé est réalisé de la façon simple présentée ci-dessus, la couche de SSI formée sera munie de très nombreux défauts cristallins. Pour améliorer la structure cristalline de la couche de SSI, des premières tentatives ont consisté à prévoir des zones de contact entre la couche de SSI et le substrat de silicium sousjacent à la couche isolante. On espère ainsi que la recristallisation se fera selon l'orientation assurée par les zones initiales de germination du silicium sous-jacent. De telles méthodes ont parfois donné des résultats satisfaisants mais elles présentent l'inconvénient inhérent de nécessiter la prévision de zones de germination, c'est-à-dire à tout le moins des zones au niveau desquelles la couche mince de silicium n'est plus isolée du substrat. Il faut alors prévoir des étapes ultérieures de réisolement. D'autres inconvénients de ces procésés sont exposés dans la littérature. D'autres procédés de recristallisation ont consisté à essayer de localiser les défauts cristallins dans des zones prévues à l'avance de la couche de SSI. Parmi ces procédés, on peut citer un procédé dans lequel la couche supérieure de la zone d'encapsulant est munie de substances antiréfléchissantes pour que l'énergie absorbée par la couche de SSI soit inégalement répartie, d'où il résulte que les défauts cristallins sont localisés dans les zones à gradient de température. Ce procédé s'est avéré compliqué à mettre en oeuvre et de rendement faible. Un autre procédé a consisté à conférer à la couche de Si02 sous-jacente à la couche de SSI une épaisseur variable en la munissant par exemple de nervures et de rainures à l'interface entre cette couche de SiO2 et la couche mince de silicium que l'on souhaite rendre monocristalline.Ce procédé présente plusieurs inconvénients - le fait qu'il faille graver la face supérieure de la couche isolante de SiO2 avant de déposer le SSI provoque inévita Dlement des défauts d'interface et des risques de pollution qui entraînent l'obligation de prendre de nombreuses précautions ; et - la surface supérieure de la couche de SiO2 étant non plane, il est nécessaire après dépôt de la couche de SSI de planariser la surface supérieure de cette couche ce qui constitue également une étape technologiquement délicate. De façon générale, tous les procédés dans lesquels on module l'épaisseur de la couche de SiO2 sous-jacente à la couche de SSI ou bien l'épaisseur de la couche de SSI elle-même sont entâchés des inconvénients mentionnés ci-dessus. Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir un nouveau procédé de cristallisation d'une couche de silicium sur isolant (SSI) permettant la localisation des défauts dans des zones déterminées de la couche de SSI tout en évitant les inconvénients susmentionnés des techniques antérieures. Pour atteindre cet objet ainsi que d'autres, la présente invention prévoit un procédé de fabrication de couches minces monocristallines de silicium sur isolant consistant à revêtir un substrat isolant d'une couche de silicium et d'une couche d'un produit encapsulant et à recristalliser le silicium en soumettant la structure formée à un traitement thermique. Selon ce procédé, la surface supérieure de la couche de produit encapsulant est munie de zones en surépaisseur avant le traitement thermique, d'où il résulte qu'après ce traitement les défauts cristallins de la couche de silicium sont localisés sous les zones en surépaisseur. Selon un mode de réalisation de la présente invention le traitement thermique consiste à déplacer le long de la structure une bande chauffante créant une bande fondue dans le silicium. Selon un mode ae réalisation de la présente invention lesdites surépaisseurs ont la forme de nervures parallèles au sens de déplacement de la zone fondue. Selon un mode de réalisation de la présente invention lesdites surépaisseurs sont formées de façon à réserver des emplacements où l'on veut former des circuits dans le silicium. De façon classique, la couche isolante peut être du SiO2, par exemple du Si02 sur substrat de silicium ; la couche de produit encapsulant peut également être du SiO2. Ainsi, par le procédé de la présente invention, on évite les inconvénients de l'art antérieur, à savoir que la couche de SSI obtenue peut être formée de façon particulièrement simple puisqu'il n'est pas nécessaire de prévoir d'étape de gravure de la couche de SiO2 sous-jacente ni de cette couche de SSI elle-même. D'autre part, cette couche de SSI n'étant pas gravée, on évite la formation de marches raides toujours préjudiciables à la formation de dépôts ultérieurs couramment effectués pour la réalisation et la connexion de circuits intégrés. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles les figures 1A et 1B représentent respectivement une vue de dessus partielle et une vue en coupe d'une structure selon la présente invention avant traitement thermique ; et les figures 2A et 2B correspondent respectivement aux figures 1A et 1B dans le cas d'une variante de forme d'une structure selon la présente invention. La figure 1B représente une vue en coupe selon la ligne BB de la figure 1A. On peut y voir une structure de départ pour la formation d'une couche monocristalline de SSI selon la présente invention. Cette structure de départ comprend sur un substrat 1, couramment une plaquette de silicium monocristallin, une couche isolante d'épaisseur sensiblement constante 2, par exemple une couche de SiO2 formée par oxydation thermique sur une épaisseur de l'ordre de 10-3 mm ou plus. Cette couche peut toutefois être également obtenue par divers procédés de dépôt chimique en phase vapeur. Sur cette couche de SiO2 est formée une couche mince de silicium (SSI) 3. Cette couche est par exemple formée par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression ou encore par dépôt chi mique en phase vapeur à Dasse pression assisté par plasma. Selon les conditions de dépôt, elle est constituée de silicium polycristallin ou de silicium amorphe et peut avoir une épaisseur de l'or- are de 0,2 à quelques 10-3 mm. Après cela, est formée une couche de produit encapsulant 4, par exemple une couche de SiO2 qui peut être obtenue ou bien par oxydation thermique de la couche de silicium polycristallin 3 si son épaisseur a été initialement prévue en conséquence, ou bien par un mode de dépôt chimique en phase vapeur. Après cela, la couche 4 est gravée par des techniques photolithographiques classiques pour ménager des zones en surépaisseur 5. Comme le montre la figure 1A, ces zones en surépaisseur 5 peuvent par exemple avoir la forme de bandes parallèles. Typiquement, la distance entre deux bandes pourra être de l'ordre de 40.10-3 mm, la largeur d'une bande étant de l'ordre de 5 micromètres. L'épaisseur de la couche encapsulante dans ses parties minces pourra être supérieur à 10-3 mm, les surépaisseurs étant de l'ordre de 0,5.10-3 mm. Une fois cette structure formée, on irradie par un rayonnement énergétique la plaquette, pour former dans celle-ci une zone fondue, par exemple selon la forme d une bande rectiligne 7 qui est déplacée dans la direction des flèches 8 parallèlement à la direction des bandes en surépaisseur 5. Cette zone fondue peut par exemple résulter d'un éclairage par des lampes fournissant des densités de puissance de l'ordre de 100 watts par cm2. Après le traitement thermique, la couche d'encapsulant est enlevée. Elle peut toutefois être maintenue pour servir de premier masque lors a'opérations ultérieures de traitement de la couche de SSI. Dans des buts d'analyse, on a enleve complêtement la couche d'encapsulant et on constate que la couche de SSI obtenue est sensiDlement monocristalline dans toutes les régions comprises entre les bandes en surépaisseur, tous les défauts étant localisés sous ces bandes. On constate également que l'épaisseur de la couche de SSI est légèrement réduite sous les emplacements correspondant aux zones en surépaisseur, ce qui laisse penser que pendant le traitement thermique, un fluage de l'encapsulant constitué de silice dans la couche de silicium survient et que l'on obtient ainsi indirectement une modulation d'épaisseur de la couche de SSI d'où il résulte des effets de variations thermiques dans celle-ci.Les variations d'épaisseur dans la couche de SSI obtenue sont faibles et sont en tout cas à profil fortement vallonné qui ne présente pas d'inconvénient pour le passage ultérieur de connexions, par exemple. Dans les figures 2A et 2B, on a désigné par de mêmes références des éléments analogues à ceux des figures 1A et 1B. La différence entre les structures de la figure 2 et celles de la figure 1 sont visibles dans la vue de dessus de la figure 2A. Au lieu d'avoir une structure en forme de bandes des surépaisseurs de l'encapsulant, on prévoit des zones moins épaisses localisées 9 et 10 au niveau desquelles on souhaite réaliser des composants particuliers, par exemple un transistor dans la zone 8 et deux transistors dans la zone 9. Ce choix peut permettre de mieux s'adapter à des conceptions de circuits particuliers incompatibles avec une structure en bandes. Bien entendu, le procédé selon la présente invention peut également être combiné avec des procédés de l-'art antérieur. Ainsi, on pourra combiner le procédé selon l'invention consistant moduler l'épaisseur de la couche d'encapsulant par action sur la face supérieure de celle-ci à des procédés plus classiques consistant à moduler l'épaisseur de la couche isolante sous-jacente à la couche de SSI ou l'épaisseur de cette couche de SSI. L'avantage d'une telle combinaison est que l'on peut augmenter la distance entre des zones à épaisseur modifiée de la couche de SSI ou de la couche isolante en intercalant entre des zones à épaisseur modifiée des zones à épaisseur d'encapsulant modifiée selon l'invention. Cette combinaison peut être intéressante du fait qu'elle évite lors de la fusion de la couche de SSI le risque de voir celle-ci se "mettre en boule" c'est-à-dire se condenser par capillarité. En outre, la modulation d'épaisseur d'une des deux couches sous-jacentes permettra une localisation plus précise des défauts dans une zone très étroite. REVENDICATIONS 1. Procédé de fanrication de couches minces monocristallines de silicium sur isolant consistant â revêtir un substrat isolant (2) d'une couche de silicium (3) et d'une couche d un produit encapsulant (4) et à recristalliser le silicium en soumettant la structure formée à un traitement thermique, carac térisé en ce que la surface supérieure de la couche de produit encapsulant (4) est munie de zones en surépaisseur (S ; 9, 10) avant le traitement thermique, d'où il résulte qu'après ce traitement les défauts cristallins de la couche de silicium sont localisés sous les zones en surépaisseur. 2. Procédé de fabrication de couches- minces monocristallines de silicium sur isolant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement thermique consiste à déplacer le long de la structure une bande chauffante créant une zone fondue en forme de bande (7) dans le silicium. 3. Procédé de fabrication de couches minces monocristallines de silicium sur isolant selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites surépaisseurs ont la forme de nervures (5) parallèles au sens de déplacement de la zone fondue. 4. Procédé de fabrication de couches minces monocristallines de silicium sur isolant selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites surépaisseurs sont formées de façon réserver deS emplacements (9, 10) où l'on veut former des circuits dans le silicium. 5. Procédé de fabrication de couches minces monocristallines de silicium sur isolant selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche isolante est de l'oxyde de silicium (2). 6. Procédé de faDrication de couches minces monocristallines de silicium sur isolant selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche d'oxyde de silicium (2) est formée sur un substrat de silicium (1). 7. procédé de faDrication de couches minces monocristallines de silicium sur isolant selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la couche de produit encapsulant (4) est de l'oxyde de silicium.