Brevet FR2784796A1 — publié le 20000421

PROCEDE DE REALISATION D'UNE COUCHE DE MATERIAU ENTERREE DANS UN AUTRE MATERIAU Domaine technique La présente invention concerne un procédé de réalisation d'une couche de matériau enterrée dans un autre matériau. Elle s'applique en particulier au domaine des semiconducteurs et notamment pour la réalisation de substrats du type Silicium sur Isolant. Actuellement, les substrats de type Silicium sur Isolant (ou SOI pour"Silicon On Insulator") présentent un très grand intért pour les applications microélectroniques dans le domaine de la basse consommation. Il existe plusieurs procédés d'obtention de substrats SOI. Les plus utilisés aujourd'hui sont le procédé SIMOX (de l'expression anglo-saxonne"Separation by IMplanted OXygen") et les procédés basés sur le collage par adhésion moléculaire (appelé"wafer bonding"an anglais). Pour obtenir des films minces de silicium sur de la silice, ces procédés, utilisant le collage par adhésion moléculaire, sont combinés à des procédés d'amincissement. Comme procédé d'amincissement, on peut citer celui divulgué par le document FR-A-2 681 472 où le clivage d'un substrat est obtenu par coalescence, provoquée par un traitement thermique, de microcavités générées par implantation ionique. On peut également citer des procédés utilisant des couches d'arret épitaxiées et la gravure sélective. Etat de la technique antérieure Il est connu que l'implantation par bombardement d'un gaz rare ou d'hydrogène dans un matériau semiconducteur (cf. FR-A-2 681 472), ou dans un matériau solide cristallin ou non (cf. FR-A-2 748 850), est susceptible de créer des microcavités ou microbulles (encore appelées"platelets"ou "nanoblisters"en anglais) à une profondeur voisine de la profondeur moyenne de pénétration des ions. La morphologie (dimension, forme,...) de ces défauts peut évoluer au cours des traitements thermiques, en particulier ces cavités peuvent voir leur taille augmenter. Suivant la nature du matériau et surtout suivant ses propriétés mécaniques, ces cavités, présentes à la profondeur moyenne de pénétration des espèces gazeuses, peuvent induire suivant les conditions de traitement thermique, des déformations en surface ou"blisters". Les paramètres les plus importants à contrôler pour obtenir ces"blisters"sont la dose de gaz introduite au cours de l'implantation, la profondeur à laquelle les espèces gazeuses sont implantées et le budget thermique total fourni au matériau. Dans certains cas, les conditions d'implantation sont telles qu'après recuit, des microcavités ou microbulles sont présentes au niveau de la profondeur moyenne d'implantation des ions mais leur taille et la pression à l'intérieure de ces cavités ne sont pas suffisantes pour induire des déformations en surface. On se trouve alors en présence d'une couche continue de défauts enterrés sans aucune dégradation de la surface. A titre d'exemple, une implantation d'hydrogène dans une plaque de silicium selon une dose de 3.10l6H+/cm2 et une énergie de 25 keV crée une couche enterrée continue de microcavités d'environ 150 nm d'épaisseur à une profondeur moyenne d'environ 300 nm. Ces microcavités se présentent sous forme allongée : leur taille est de l'ordre de 6 nm en longueur et de deux plans atomiques en épaisseur. Si un recuit est effectué à 600 C durant 30 minutes sur cette plaque, les microcavités grossissent et voient leur taille passer de 6 nm à plus de 50 nm en longueur et de quelques plans atomiques à 4-6 nm en épaisseur. Par contre, aucune perturbation de la surface n'est observée. La présence de microcavités s'observe également dans le cas d'une implantation par bombardement d'hélium, au niveau de la profondeur moyenne (Rp) d'implantation dans le silicium. Les cavités, dans ce cas, ont une forme stable qui n'évolue pas au cours du recuit. On peut se référer à ce sujet à l'article"Radiation damage and implanted He atom interaction during void formation in silicon"de V. RAINERI et M. SAGGIO, paru dans Appl. Phys. Lett. 71 (12), 22 septembre 1997. Par ailleurs, il est connu que des défauts présents dans les matériaux sont des centres de nucléation préférentiels pour la formation d'une phase hétérogène. A titre d'exemple, en ce qui concerne la formation de précipités d'oxyde, trois types de nucléation sont répertoriés dans la bibliographie : en phase homogène, en phase homogène sous contraintes, en phases hétérogène (voir par exemple l'article intitulé "Oxygen Precipitation in Silicon"de A. BORHESI et al., paru dans J. Appl. Phys. 77 (9), 1995, pages 4169-4244). Cet oxygène qui précipite est contenu dans le matériau initial. Il provient par exemple de l'étape de formation du matériau. Par nucléation on entend la formation d'aggrégats de quelques atomes d'oxygène dans le silicium pour former des centres de nucléation appelés "nucleis"ou"precipitate embryos"en anglais. De façon simplifiée, la nucléation peut apparaitre dans des sites cristallins correspondant à des noeuds du réseau où quelques atomes d'oxygène intersticiels sont proches les uns des autres (nucléation homogène) ou sur des défauts du réseau (nucléation hétérogène). Il est connu que ces défauts de réseau peuvent tre des défauts ponctuels, des défauts induits par la présence d'un élément extérieur à la matrice (par exemple du carbone dans le silicium) ou des complexes comme par exemple des complexes oxygène-carbone (voir l'article cité plus haut de A. BORHESI et al.). Par exemple, les défauts ponctuels intrinsèques au matériau comme les clusters de lacunes formés au cours de la croissance du silicium peuvent également tre des centres de nucléation pour obtenir des"nucléis". Par ailleurs, comme exemple de défauts induits par la présence d'un élément extérieur, on peut citer le cas du carbone introduit dans le substrat pour créer une couche continue et enterrée riche en carbone qui servira de zone de nucléation. L'introduction de carbone peut tre obtenue par implantation par bombardement de carbone. Après la phase de formation de ces centres de nucléation, pour obtenir un précipité de taille plus importante, il est nécessaire d'avoir une phase de précipitation. La précipitation dans un matériau est un phénomène d'agrégation d'atomes pour former des petites particules ou précipités. Le rayon critique rc qui définit la taille minimale des précipités pouvant exister est donné, pour une concentration d'oxygène en intersticiel dans le matériau, par la relation : rc= (2 v/tH) (Ts/Ts-T) s étant l'énergie de surface, AH étant 1'enthalpie de formation, T étant la température exprimée en kelvin, Ts étant la température d'équilibre correspondant à la quantité d'oxygène donnée, (voir l'article intitulé"Oxygen Precipitation Czochralski Silicon"de R. CRAVEN, Elec. Chem. Soc., Proceedings of the 4th Int. Symp. on Silicon Materials Science and Technology, Vol. 81-5,1981). A partir de cette équation, on voit bien que l'augmentation de la température entraine la croissance des précipités. En résumé, les défauts créent des centres de nucléation qui vont servir à la formation de précipités qui vont ensuite grossir. D'autre part, des études ont montré la possibilité de diminuer le nombre de discontinuités de la couche d'oxyde enterrée dans le cas des substrats SOI obtenus par le procédé SIMOX"faible dose"à l'aide d'une oxydation à haute température (supérieure à 1350 C) du film de silicium (voir le brevet US 5 589 407 et l'article intitulé"An Analysis of Buried-Oxide Growth in Low-dose SIMOX Wafers by High-Temperature Thermal Oxidation"de S. MASUI et al., Proceedings 1995 IEEE International SOI Conference, octobre 1995). Ce procédé, dénommé ITOX (pour Internal Oxidation), permet d'oxyder la couche d'oxyde enterrée au moyen d'une diffusion d'oxygène de la surface vers la couche enterrée d'oxyde. D'autres auteurs montrent que le mme phénomène se produit à des températures plus basses, de l'ordre de 1200 C (voir l'article "Internal Oxidation of Low Dose Separation by Implantated Oxygen Wafers in Different Oxygen/Nitrogen Mixtures"de P. ERICSSON et S. BENGTSSON, accepté pour publication dans la revue Appl. Phys. Lett.). Ces derniers résultats indiquent que l'introduction d'oxygène dans le matériau dépend au premier ordre du temps passé à haute température et non de la quantité d'oxygène dans l'atmosphère du recuit. Il semble donc que l'introduction d'oxygène soit limité par la solubilité limite de l'oxygène dans le silicium. Ainsi, plus la température est élevée, plus l'effet d'oxydation de la couche d'oxyde enterrée est rapide. Un exemple de ce phénomène indique qu'à 1200 C, si l'on introduit 5% d'oxygène dans de l'azote, 8 heures de recuit permettent à la couche enterrée d'oxyde de voir son épaisseur passer de 860 angströms à 1330 angströms. Cette oxydation"interne"présente l'intért de diminuer la densité de discontinuités de l'oxyde enterré. Exposé de l'invention L'invention propose un nouveau procédé de réalisation d'une couche enterrée de matériau dans un substrat d'un autre matériau. Un aspect original de l'invention consiste à créer des microcavités enterrées dans le substrat et non des défauts cristallins pour créer des pièges. Dans le cas notamment où le substrat est en silicium, ceci permet d'obtenir une couche superficielle de silicium de bien meilleure qualité et n'oblige pas à soumettre le substrat à une température de l'ordre de 1300 C afin de guérir les défauts créés par implantation d'oxygène par exemple. La présente invention présente aussi l'avantage de pouvoir mettre en oeuvre une implantation avec une faible dose d'un élément léger (par exemple l'hydrogène) qui n'induit pas de défaut cristallin entre la surface implantée et la zone de création de microcavités, contrairement à ce qui se passe lorsque l'on implante des ions comme l'oxygène, le silicium ou l'argon. Ce procédé est simple à mettre en oeuvre, l'implantation pouvant se faire à température ambiante. L'invention a donc pour objet un procédé de réalisation d'une couche d'un premier matériau enterré dans un substrat comportant au moins un deuxième matériau, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : -la formation dans ledit substrat, au niveau de la couche enterrée désirée, d'une couche de microcavités (appelées encore"platelets"ou microbulles) destinées à servir de centres de nucléation pour élaborer ledit premier matériau dans le deuxième matériau, -la formation de germes de précipitésà partir des centres de nucléation formés, les germes de précipités correspondant au premier matériau, -la croissance des précipités à partir des germes par concentration d'espèces correspondant au premier matériau et apportées à la couche de microcavités. La couche de microcavités peut tre formée en introduisant dans le deuxième matériau des espèces gazeuses qui sont avantageusement choisies parmi l'hydrogène, l'hélium et le fluor. On peut aussi former une couche poreuse sur une face du substrat et constituer, par épitaxie, une couche du deuxième matériau sur la couche poreuse. On peut encore former la couche de microcavités par une inclusion de gaz provoquée durant l'élaboration du substrat. Elle peut aussi tre formée à partir de l'interface constituée par la solidarisation d'un premier élément de substrat et d'un deuxième de substrat, fournissant ledit substrat. La couche de microcavités peut alors résulter de la présence de particules à ladite interface, de la rugosité de surface d'au moins un élément parmi le premier élément de substrat et le deuxième élément de substrat, de la présence de micro-évidements à la surface d'au moins un élément parmi le premier élément de substrat et le deuxième élément de substrat ou de contraintes induites à ladite interface. Les germes de précipités peuvent tre formés à partir d'espèces présentes dans le deuxième matériau. Ils peuvent aussi tre formés à partir d'espèces introduites dans le deuxième matériau. Cette introduction peut tre réalisée par diffusion activée thermiquement. Dans ce cas, si la formation des microcavités met en oeuvre un traitement thermique, les germes de précipités peuvent tre formés simultanément avec les microcavités. La croissance des précipités peut tre réalisée par concentration d'espèces introduites dans le substrat. Cette introduction peut se faire par diffusion activée thermiquement, sous pression ou au moyen d'un plasma. La croissance des précipités peut tre réalisée par concentration d'espèces présentes dans le substrat, sous l'effet d'un traitement thermique. Si la formation des germes de précipités et la croissance de ces précipités sont deux opérations nécessitant un traitement thermique, ces opérations peuvent tre menées simultanément. L'invention s'applique notamment à la réalisation d'un substrat semiconducteur pourvu d'une couche enterrée. Elle s'applique en particulier à la réalisation d'un substrat en silicium pourvu d'une couche enterrée d'oxyde de silicium. La couche enterrée peut tre continue ou non suivant les applications visées. Pour cela, on peut jouer sur la densité de précipités, sur l'utilisation d'un masque protégeant certaines zones du matériau soumis au procédé de l'invention Brève description du dessin L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaitront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée du dessin annexé qui représente, en vue transversale, un substrat dans lequel est prévue une couche enterrée d'un matériau différent du matériau constituant le substrat. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention A titre d'exemple, on va décrire un procédé de réalisation d'un substrat SOI selon la présente invention, en partant d'un substrat massif de silicium. La première étape consiste à former une couche de microcavités dans le substrat référencé 1 sur la figure annexée. Une technique simple à mettre en oeuvre consiste à former cette couche de microcavités par bombardement d'hydrogène à des doses (par exemple 3.1016H+/cm2) qui permettent d'obtenir à la profondeur moyenne de pénétration des particules Rp, et après recuit à 600 C pendant 30 minutes, des microcavités allongées dont la longueur est de quelques dizaines de nanomètres. Si l'énergie d'implantation est de l'ordre de 50 keV, la profondeur moyenne Rp de la couche de microcavités 2 se trouve à environ 500 nm de la face 3 du substrat au travers de laquelle est effectuée l'implantation. La largeur de la couche de microcavités 2 est alors de l'ordre de 150 nm. Le couple dose d'hydrogène implantée/recuit de formation des microcavités est fortement dépendant des paramètres d'implantation et en particulier de la température d'implantation. Sous le terme hydrogène, on entend les espèces gazeuses constituées sous leur forme atomique, sous leur forme moléculaire, sous leur forme ionique, sous leur forme isotopique (deutérium) ou encore sous leur forme isotopique et ionique. Le substrat SOI désiré devant présenter une couche d'oxyde de silicium enterrée, la phase de création de germes de précipités d'oxyde peut tre réalisée à partir de l'oxygène présent dans le silicium du substrat, au moyen d'un traitement thermique à une température comprise entre 750 C et 800 C. Etant donné que l'on désire obtenir une couche enterrée d'oxyde, il est préférable que l'atmosphère du recuit contienne de l'oxygène. Dans ce cas, une faible épaisseur d'oxyde se forme à la surface du substrat. Cette couche d'oxyde superficielle pourra tre éliminée à la fin du procédé selon l'invention. Une fois les germes de précipités formés, on va les faire grossir au moyen d'un recuit d'oxydation. Il faut alors tenir compte de deux paramètres : la quantité d'oxygène introduite dans le matériau et le rayon critique des précipités d'oxyde. La quantité d'oxygène introduite dans le matériau est contrôlée par la solubilité limite de l'oxygène dans le silicium. Plus la température est élevée et plus la solubilité limite est élevée. Le rayon critique des précipités d'oxyde est d'autant plus grand que la température est élevée. En conséquence, si l'on veut faire croitre des précipités de petites dimensions et ne pas les dissoudre, il est nécessaire de réaliser le traitement thermique à une température inférieure à la température de dissolution du précipité. Il faut donc trouver un bon compromis. Une solution est d'effectuer des temps de recuit longs avec des montées lentes en température. A titre d'exemple, on peut procéder ainsi : -un premier palier à 750 C pendant 2 heures, -un deuxième palier 800 C pendant 3 heures, -un troisième palier à 900 C pendant 2 heures, -un quatrième palier à 1000 C pendant 2 heures, -un cinquième palier à 1100 C pendant 2 heures, -un sixième palier à 1200 C pendant 8 heures avant de redescendre en température. Un autre point important à contrôler est l'atmosphère du recuit. S'il est nécessaire de rester longtemps à 1200 C pour introduire de l'oxygène dans la matrice de silicium, le substrat va également tre oxydé en surface de façon importante. Pour garder un maximum de silicium en surface, il faut utiliser une atmosphère à faible teneur en oxygène, par exemple 5% d'oxygène dilué dans de l'azote. Dans ce cas, pour un palier de 8 heures à 1200 C, l'épaisseur superficielle d'oxyde est de l'ordre de 120 nm et la couche d'oxyde enterrée formée est alors d'environ 50 nm. On obtient ainsi une couche enterrée 2 d'oxyde de 50 nm d'épaisseur sous un film mince 4 de silicium d'environ 350 nm. Les épaisseurs de la couche 2 d'oxyde et du film mince 4 sont donc conditionnées par l'énergie d'implantation et les conditions de recuit (atmosphère, durée, température). Une variante du procédé peut consister à implanter de l'hélium avec une dose de 2.1016He'/cm2 sous une énergie d'implantation de 100 keV et d'effectuer un recuit à 900 C pendant 55 minutes pour obtenir une couche de microcavités à une profondeur moyenne d'environ 600 nm de la surface implantée. Le substrat de silicium peut ensuite tre oxydé dans des conditions (paliers de température et durée) identiques à celles mentionnées ci-dessus, mais en débutant directement à 900 C. On obtient alors, par le mme processus que précédemment une couche d'oxyde enterrée de 50 nm d'épaisseur sous un film de silicium d'environ 450 nm d'épaisseur. L'invention permet donc d'obtenir, à partir d'un substrat massif 1 en silicium, un substrat SOI constitué d'une plaque 5 de silicium recouverte d'une couche isolante 2 elle-mme recouverte d'un film mince 4 de silicium. Parmi les avantages du procédé selon l'invention, on peut citer le fait qu'il permet d'utiliser une seule tranche d'un mme matériau pour fournir un substrat SOI. Il procure une très bonne homogénéité au film mince de silicium et à la couche d'oxyde enterrée. Il peut tre mis en oeuvre en utilisant des équipements standard en microélectronique. Il présente aussi l'avantage d'tre simple de mise en oeuvre. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'une couche (2) d'un premier matériau enterré dans un substrat (1) comportant au moins un deuxième matériau, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : -la formation dans ledit substrat (1), au niveau de la couche enterrée désirée, d'une couche de microcavités destinées à servir de centres de nucléation pour élaborer ledit premier matériau dans le deuxième matériau, -la formation de germes de précipités à partir des centres de nucléation formés, les germes de précipités correspondant au premier matériau, -la croissance des précipités à partir des germes par concentration d'espèces correspondant au premier matériau et apportées à la couche de microcavités. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de microcavités est formée en introduisant dans le deuxième matériau des espèces gazeuses. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les espèces gazeuses utilisées pour former la couche de microcavités sont choisies parmi l'hydrogène, l'hélium et le fluor. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour former la couche de microcavités, on forme une couche poreuse sur une face dudit substrat et on constitue, par épitaxie, une couche dudit deuxième matériau sur la couche poreuse. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de microcavités est formée par une inclusion de gaz provoquée durant l'élaboration du substrat. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de microcavités est formée à partir de l'interface constituée par la solidarisation d'un premier élément de substrat et d'un deuxième de substrat, fournissant ledit substrat. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche de microcavités résulte de la présence de particules à ladite interface. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche de microcavités résulte de la rugosité de surface d'au moins un élément parmi le premier élément de substrat et le deuxième élément de substrat. 9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche de microcavités résulte de la présence de micro-évidements à la surface d'au moins un élément parmi le premier élément de substrat et le deuxième élément de substrat. 10. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche de microcavités résulte de contraintes induites à ladite interface. 11. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les germes de précipités sont formés à partir d'espèces présentes dans le deuxième matériau. 12. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les germes de précipités sont formés à partir d'espèces introduites dans le deuxième matériau. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite introduction est réalisée par diffusion activée thermiquement. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que, la formation des microcavités mettant en oeuvre un traitement thermique, les germes de précipités sont formés simultanément avec les microcavités. 15. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la croissance des précipités est réalisée par concentration d'espèces introduites dans le substrat (1). 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que la croissance des précipités est réalisée par concentration d'espèces introduites dans le substrat par diffusion activée thermiquement. 17. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que la croissance des précipités est réalisée par concentration d'espèces introduites sous pression dans le substrat. 18. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que la croissance des précipités est réalisée par concentration d'espèces introduites dans le substrat au moyen d'un plasma. 19. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la croissance des précipités est réalisée par concentration d'espèces présentes dans le substrat, sous l'effet d'un traitement thermique. 20. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la formation des germes de précipités et la croissance des précipités étant deux opérations nécessitant un traitement thermique, ces opérations sont menées simultanément. 21. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 20 à la réalisation d'un substrat semiconducteur pourvu d'une couche enterrée. 22. Application selon la revendication 21, caractérisée en ce que le substrat (1) est en silicium et en ce que la couche enterrée (2) est une couche d'oxyde de silicium.