Brevet FR2689682A1 — publié le 19931008

Procédé de réalisation d'une couche de silicium monocristalline sur un diélectrique enseveli Description La présente invention concerne un procédé de réalisation d'une cou- che de silicium monocristalline qui est séparée, par une couche d'iso- lateur ensevelie, d'un substrat de silicium se trouvant sous cette der- nière. Pour de nombreux cas d'application dans la fabrication d'éléments électroniques et, en particulier, dans la fabrication de circuits inté- grés, il est nécessaire ou avantageux de réaliser ces éléments ou cir- cuits sous forme de couches de silicium monocristallines qui sont séparées, par un isolateur enseveli, du matériau de support en silicium se trouvant sous ce dernier La condition requise pour la fabrication de tels éléments ou circuits est la préparation de matériaux de substrat qui comportent une couche de silicium monocristalline et une couche d'isolateur ensevelie, la couche d'isolation ensevelie séparant la cou- che de silicium d'un substrat en silicium se trouvant sous la couche d'isolateur. De la littérature, on connaît déjà plusieurs dépôts pour de tels procé- dés, qui sont réunis sous la notion de "technologies SOI" (Silicon-On- Insulator). L'un de ces procédés est le procédé ZMR (Zone Melt Recrystalliza- tion) qui est décrit dans le document de la littérature suivant: A Naka- gawa Impact of dielectric isolation technology on power I Cs ISPSD, pages 16 à 21, 1991. Un autre tel procédé est le procédé dénommé SIMOX qui est connu de nombreux documents de la littérature et publications de brevets. Ce n'est qu'à titre d'exemple que référence est faite à M A Guerra. The status of SIMOX technology D N Schmidt, Editeur, Silicon-on- Insulator Technology and Devices, Volume 90-6, pages 21 à 47 The Electrochemical Society, Inc, 1990. Comme troisième procédé que l'on compte parmi les technologies SOI, mentionnons le procédé par liaison de disques Celui-ci est connu, entre autres, du document de la littérature suivant: W P Mas- zara, Silicon-on-Insulator by Wafer Bonding: A review J Electrochem. Soc, 138:341 à 347, 1991. Il est généralement connu de la littérature que seuls les deux derniers procédés cités permettent la préparation de substrats SOI valables sur le plan de la production Dans le procédé connu sous le nom de SI- MOX, une dose importante d'ions d'oxygène est implantée, en une première étape, dans le substrat de silicium L'oxygène implanté réa- git avec le substrat pour produire une couche de dioxyde de silicium ensevelie Dans une étape à haute température suivante, les dégâts aux cristaux restant après l'implantation sont assainis Par suite d'une sé- grégation chimique, il se forme des surfaces de délimitation pronon- cées entre l'isolateur enseveli et le silicium qui l'entoure. Le principal avantage de ce procédé réside dans le fait que l'épaisseur du film de silicium est extrêmement uniforme et peut, par le choix de l'énergie ionique ou par la croissance épîtaxiale ultérieure de silicium, être réglée de manière très précise entre environ 50 nm et quelque jlm Les principaux inconvénients de ce procédé résident toutefois dans la nécessité de doses d'implantation très importantes ainsi que dans les frais élevés y associés ainsi que dans la limitation pratique et physique de l'épaisseur d'oxyde maximale à environ 0,5 glm. Dans le procédé par liaison de disques, la surface d'un disque peut être tout d'abord oxydée thermiquement ou il peut être déposé une couche diélectrique sur le disque Un second disque est traité de la même manière ou laissé non-traité Après hydrophilisation, les sur- faces des deux disques sont amenées en contact l'une avec l'autre, après quoi les disques adhérant aisément l'un à l'autre par des ponts d'hydrogène sont, dans une étape de recuit suivante, assemblés l'un à l'autre de manière indissoluble Ensuite, l'un des deux disques est aminci de son épaisseur original, qui est habituellement de quelque gim, à la dimension souhaitée Cela se fait soit par meulage, soit par polissage, soit par dérochage chimique ainsi même que par une combinaison de ces procédés d'amincissement. En cas de meulage, l'opération est contrôlée par des procédés de me- sure coûteux. Dans le procédé par dérochage chimique pour l'amincissement de l'un des deux disques dans le procédé par liaison de disques, on fait appel, d'une part, à des opérations déterminées exclusivement sur base du temps et, d'autre part, à des procédés à barrière de dérochage Dans ce dernier cas, il est déjà incorporé dans l'un des disques, avant la liaison, une barrière de dérochage qui freine la réaction chimique lors du dérochage d'amincissement du côté arrière Dans ce cas, l'épais- seur de couche de la couche de silicium isolée est déterminée par la profondeur à laquelle la couche d'arrêt de dérochage est incorporée dans le disque à amincir par dérochage chimique. En rapport avec de tels procédés par liaison de disques, on connaît les procédés suivants pour la préaparation des couches d'arrêt de dé- rochage ensevelies décrites. Du document de la littérature V lehmann, K Mitani, D Feijoo et U. Gôsele Implanted carbon: An effective etch-stop in silicon J Electro- chem Soc, 138:L 3 à L 4, 1991 ressort l'implantation d'une dose im- portante de bore et de carbone. L'implantation d'une dose importante de germanium ainsi que de cou- ches de germanium à croissance épitaxiale ainsi que, dans le cas de procédés de dérochage électrochimiques, l'utilisation de passages pn obturés comme barrière de dérochage ressortent du document de la littérature suivant: D J Godbey, M E Twigg, H L Hugues, L J Palcuti, P Leonow et J J Wang Fabrication of bond and etch-back silicon on insulator using a strained Si O 7 Ge O 3 layer as an etch-stop J Electro- chem Soc, 137:3219-3223, 1990. Ces procédés par liaison de disques connus, qui se servent de couches d'arrêt de dérochage ensevelies, ont toutefois en commun la faible sé- lectivité entre le silicium à dérocher et les couches d'arrêt de déro- chage, d'o il ne résulte qu'un faible degré d'uniformité de l'épaisseur du film de silicium produit Dans l'application pratique des procédés par liaison de disques qui viennent d'être décrits, outre le problème de la mauvaise uniformité de l'épaisseur du film de silicium, le pro- blème se posait également que des épaisseurs de couche inférieures à environ 1 pm ne pouvaient pas être réalisées dans des conditions de production. Du document de la littérature C Harendt et al, Silicon-OnInsulator Films obtained by etch-back of bonded wafers, J J Electrochem Soc, Band 136, numéro 11, novembre 1989, pages 3547 à 3548, on con- naît un autre procédé par liaison de disques dans lequel, pour la réali- sation d'une double barrière de dérochage, il est tout d'abord procédé à une implantation de bore, après quoi il est procédé à la croissance d'une couche épitaxiale à faible dose d'une épaisseur souhaitée sur la couche ensevelie Après la production de minces couches d'oxyde sur les deux disques, il est réalisé une liaison des disques Ici aussi se pré- sentent les difficultés qui viennent d'être décrites et qui sont dues à la faible sélectivité de la couche d'arrêt de dérochage formée par le bore. De la publication spécialisée A Sôderbârg, Investigation of buried etch-stop layer in silicon made by nitrogen implantation, J Electro- chem Soc, volume 139, numéro 2, pages 561 à 566, est connu un procédé dans lequel un disque est, après implantation d'azote, appli- qué sur un support de verre par liaison anodique et est déroché, du côté arrière, jusqu'à la couche d'arrêt de dérochage ainsi formée par la couche d'azote implantée Par l'implantation d'azote, on obtient une mauvaise qualité des cristaux de la couche de silicium Un recuit à haute température afin d'assainir la couche de silicium n'entre pas en ligne de compte dans cette technique, étant donné que, dans ce cas, l'effet d'arrêt de dérochage de l'azote implanté se perdrait Du fait du mauvais effet d'arrêt de dérochage de la couche d'azote ensevelie et de la mauvaise qualité des cristaux qui en résulte, ce procédé n'a pas trouvé d'application dans la pratique. Vu l'état de la technique expliquée ci-dessus, l'Homme de l'Art a, de ce fait, choisi, par le passé, pour la réalisation d'une couche de sili- cium monocristalline sur un diélectrique enseveli, soit le procédé SIMOX, lorsqu'une épaisseur de film de silicium uniforme et réglable avec précision est nécessaire pour le cas d'application désiré et que les frais élevés associés à ce procédé du fait des doses d'implantation importantes requises ainsi que la limitation à des épaisseurs de cou- che d'oxyde maximales de 0,5 gm pouvaient être acceptés. Lorsque pouvait être acceptée une faible homogénéité de l'épaisseur de la couche de silicium du film de silicium et que de faibles dépenses d'investissement ou une haute qualité des cristaux de la couche de re- couvrement de silicium étaient primordiaux, on faisait, par contre, ap- pel au procédé par liaison de disques. Partant de cet état de la technique, l'invention a, de ce fait, pour objet de proposer un procédé de réalisation de couches de silicium mono- cristallines qui conduit à une grande uniformité de l'épaisseur du film de silicium produit, par lequel on obtient une haute qualité des cris- taux de la couche de silicium et par lequel peuvent être produites des couches d'isolateur ensevelies dont l'épaisseur n'est pas limitée à l'é- paisseur d'oxyde pouvant être obtenue par le procédé SIMOX. L'objet est résolu par un procédé suivant la revendication 1. Des développements préférés du procédé suivant l'invention sont in- diqués dans les sous-revendications. Ci-après est expliqué plus en détail un mode de réalisation préféré du procédé suivant l'invention Le point de départ du procédé suivant l'invention est constitué par deux disques de silicium A partir de l'un des deux disques de silicium est tout d'abord réalisé un disque de sili- cium SIMOX Il est alors tout d'abord formé une couche d'oxyde SI- MOX ensevelie, par implantation d'oxygène en une dose importante, par laquelle une couche de silicium est séparée du substrat de silicium du disque SIMOX. Pour autant que cela est souhaité, l'épaisseur de la couche de silicium peut ensuite être réduite ou augmentée, par un procédé connu en soi. Par exemple, il entre en ligne de compte de renforcer la couche de silicium par croissance épitaxiale Après la réalisation de la couche d'oxyde SIMOX, la couche de silicium du disque de silicium SIMOX est assainie par recuit Cela se fait, de préférence, à des tempértures comprises entre 7000 C et 14121 C, pendant une durée comprise entre trente minutes et 15 heures. Pour la production de la couche d'isolateur ultérieure, soit le disque de silicium SIMOX, soit l'autre disque, qui sera dénommé ci-après dis- que de support, soit les deux disques sont ensuite oxydés et/ou pour- vus d'un dépôt d'un diélectrique. Au cas o la couche de diélectrique est déposée sur le disque de sup- port, on considère préférable de la réaliser sur toute la surface du dis- que de support Dans ce cas, tel qu'il sera encore expliqué plus en dé- tail, elle peut être utilisée comme protection du disque de support contre les agents de dérochage. Ensuite, les faces avant du disque de silicium SIMOX et du disque de support sont mises en contact l'une avec l'autre, après quoi elles sont, au cours d'une étape de recuit, assemblées l'une à l'autre de manière indissoluble Les températures typiques utilisées lors de cette étape de recuit sont de l'ordre de 800 'C à 1300 'C. Pour autant que le disque de support n'a pas encore été protégé par le dépôt de tous côtés cité d'un diélectrique, il est alors appliqué une couche de protection, par exemple, contre les agents de dérochage alcalins. Les disques ainsi assemblés l'un à l'autre pour former un seul disque d'une épaisseur sensiblement double sont alors dérochés dans une so- lution alcaline, jusqu'à ce que la réaction chimique à la couche d'oxyde SIMOX ensevelie est freinée. La couche d'oxyde SIMOX alors dégagée est éliminée, de préférence, à l'aide d'acide fluorhydrique, d'o la couche de silicium sensiblement monocristalline est libérée. La surface désormais dégagée est l'ancienne surface de délimitation entre la couche de silicium et la couche d'oxyde SIMOX désormais éli- minée par dérochage Afin d'améliorer davantage la qualité de cette surface, le disque assemblé peut être oxydé thermiquement et l'oxyde réactif qui se produit peut ensuite être déroché chimiquement par voie humide. En alternative, le disque peut également être poli chimiquement et/ ou mécaniquement. Une autre possibilité, qui conduit tant à l'amélioration de la surface qu'à la réduction de la densité des défauts dans les cristaux de la cou- che de silicium, consiste à incorporer la dose d'oxygène nécessaire lors de l'implantation d'oxygène SIMOX par implantations partielles séquentielles de doses partielles et de recuits. Dans le procédé suivant l'invention, on peut utiliser des doses d'im- plantation de 1 * 1017 cnr 2 à 3 * 1018 cm-2 Suivant l'invention, il est possible, par exemple, d'utiliser une dose d'implantation de 4 * 1017 cm-2 pour produire l'arrêt de dérochage Avec cette dose d'implanta- tion, qui est de loin inférieure aux doses d'implantation qui sont utili- sées de manière typique dans la technologie SIMOX pour la produc- tion de couches isolantes ensevelies, on obtient une réduction consi- dérable des coûts avec, en même temps, une amélioration de la qua- lité de la couche de silicium. Dans le cadre du procédé partiel SIMOX, le recuit est réalisé, de pré- férence, à une température de 7001 C à 14121 C, pendant une durée de trente minutes à 15 heures Par rapport aux températures de plus de 13000 C utilisées, dans les recuits SIMOX typiques, pendant des temps de recuit de six heures, une réduction supplémentaire des coûts est donc possible. Pour le dérochage du côté arrière du disque de silicium SIMOX, on peut utiliser tout agent de dérochage à sélectivité suffisante des taux de dérochage entre le silicium et le dioxyde de silicium Une solution de KOH à 20 % à 80 'C est préférée Dans ce cas, un dosage de 1 8 ' 1018 cm 72 est nécessaire. Avec le procédé suivant l'invention, il est possible, avec des économies de coûts par rapport au procédé SIMOX, de produire des couches de silicium de haute qualité à épaisseur de couche très homogène et à structure sensiblement monocristalline, sans être tenu par des limita- tion en ce qui concerne l'épaisseur de la couche d'isolateur ensevelie. Dans le procédé suivant l'invention, les avantages du procédé SIMOX et du procédé par liaison de disques sont, de ce fait, combinés, sans devoir subir, par ailleurs, les inconvénients et les limitations de ces procédés. REVEND I CATIONS 1 Procédé de réalisation d'une couche de silicium monocristalline qui est séparée, par une couche d'isolateur ensevelie, d'un substrat de sili- cium se trouvant sous cette dernière, avec les étapes techniques sui- vantes: production d'un disque de silicium SIMOX, une couche d'oxyde SIMOX ensevelie étant formée, par im- plantation d'oxygène, dans ce disque de silicium SIMOX, laquelle sépare une couche de silicium du substrat de sili- cium du disque SIMOX, et la couche de silicium SIMOX du disque de silicium SIMOX étant assainie par recuit, caractérisé en ce que le procédé pour la réalisation de la couche de silicium sensiblement monocristalline présente, en outre, les étapes techniques suivantes: production d'une couche de diélectrique sur la face avant du dis- que de silicium SIMOX et/ou sur la face avant d'un disque de sup- port en silicium, liaison en un seul disque du disque de silicium SIMOX et du dis- que de support en silicium, les disques étant mis en contact l'un avec l'autre par leurs côtés avant, et les disques étant assemblés l'un à l'autre, de manière indis- soluble, par une étape de recuit, et dérochage, par un agent de dérochage à sélectivité suffisante en- tre le silicium et le dioxyde de silicium, du côté arrière du disque de silicium SIMOX qui est assemblé, par liaison en un seul disque, avec le disque de support en silicium, jusqu'à la couche d'oxyde SIMOX ensevelie. 2 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par l'étape techni- que consistant à appliquer une couche anti-dérochage sur le disque de support en silicium, avant l'étape technique consistant à dérocher, du côté arrière, le disque de silicium SIMOX. 3 Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche d'oxyde SIMOX est éliminée par dérochage par voie humide. 4 Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la couche d'oxyde SIMOX est éliminée par dérochage à l'aide d'acide fluorhydri- que. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche de diélectrique est formée par oxydation thermique de la face avant du disque de silicium SIMOX et/ou de la face avant du disque de support en silicium. 6 Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche de diélectrique est déposée, par un procédé CVD, sur la face avant du disque de silicium SIMOX et/ou sur la face avant du dis- que de support en silicium. 7 Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la couche de diélectrique est déposée sur toute la surface du disque de support et, de ce fait, forme également la couche anti-dérochage. 8 Procédé suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par l'éta- pe technique de modification de l'épaisseur de la couche de silicium après l'étape technique de réalisation de la couche d'oxyde SIMOX en- sevelie. 9 Procédé suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par l'éta- pe technique d'oxydation thermique de la couche de silicium et, en- suite, l'étape technique de dérochage chimique par voie humide de l'oxyde thermique aux fins de réduire l'épaisseur de la couche de sili- cium. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par l'é- tape technique de dérochage de la couche de silicium monocristalline aux fins de réduire l'épaisseur de couche. 11 Procédé suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par l'é- tape technique de croissance épitaxiale de silicium sur la couche de silicium, aux fins d'augmenter son épaisseur de couche. 12 Procédé suivant l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'implantation de la couche d'oxyde SIMOX est réalisée par doses d'implantation de 1 * 1017 cm-2 à 3 * 1018 cm-2. 13 Procédé suivant la revendication 12, caractérisé en ce que la dose d'implantation est sensiblement de 1,8 * 1018 cm-2. 14 Procédé suivant l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que l'étape de recuit aux fins de l'assainissement de la couche de sili- cium du disque de silicium SIMOX est réalisée à des températures comprises entre 700 c C et 1412 'C et pendant une durée comprise entre trente minutes et 15 heures. 15 Procédé suivant l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que l'implantation d'oxygène pour la production de la couche d'oxyde SIMOX ensevelie est réalisée par des implantations séquentielles et recuits de doses partielles.