Brevet FR2856194A1 — publié le 20041217

La présente invention concerne de manière générale le traitement de tranches de matériaux destinées à être utilisées dans des applications de micro électronique, optique, optoélectronique. Les exemples particuliers qui vont être décrits dans ce texte 5 concernent une tranche de type SOI (Silicon On Insulator pour silicium sur isolant selon la terminologie anglo-saxonne répandue), et un tranche de silicium massif (silicium " bulk ", selon la terminologie anglo- saxonne répandue). Et de manière générale, I'invention concerne ainsi les tranches de 10 matériaux choisis parmi les matériaux semiconducteurs. Plus précisément, I'invention concerne un procédé de traitement thermique (ou recuit) haute température d'une tranche élaborée à partir d'un ou plusieurs matériau(x) choisi(s) parmi les matériaux semiconducteurs et disposée sur un support, le procédé comprenant une montée lente en 15 température jusqu'à une température de fin de traitement. On précise que dans ce texte on entend par recuit " haute température " un recuit dont certaines phases au moins se déroulent à des températures supérieures à une valeur de l'ordre de 800 C. Les recuits haute température concernés par l'invention impliquent 20 ainsi typiquement des températures de l'ordre de 800 à 1200 C. Ces températures peuvent en particulier être des températures de fin de traitement. On précise également que l'invention s'applique de manière générale à de tels recuits haute température comprenant une montée lente 25 en température jusqu'à une température de fin de traitement. Et on entend dans ce texte par montée " lente " en température une augmentation moyenne de température selon une évolution générale moyenne se fait avec une valeur inférieure à environ 20 C/min. Ainsi, les traitements thermiques du type RTA (pour Rapid Thermal 30 Annealing - Recuit Thermique Rapide en français), qui mettent en ceuvre des montées en température extrêmement rapides, ne sont pas concernés par l'invention. Par ailleurs, les tranches concernées par l'invention peuvent être des tranches monocouches, ou des tranches multicouches (par exemple de type SOI - pour Silicon On Insulator; Silicium Sur Isolant en français). Dans le cas des tranches multicouches, les différentes couches de la tranche peuvent être associées ensemble par collage. On précise qu'on entend par " collage " la mise en contact intime de deux surfaces, pour établir entre ces deux surfaces des liaisons du type 10 liaison hydrogène ou de Van der Waals. Un tel collage peut aussi être désigné par le terme de " collage par adhésion moléculaire ". Ce type de collage est couramment mis en oeuvre dans le domaine de l'invention, pour solidariser deux tranches de matériau. Les procédés de type SMARTCUT par exemple mettent en oeuvre un tel collage. Ce type de procédé fait intervenir un transfert de couche, avec détachement au niveau d'une zone de fragilisation qui a été générée par implantation dans l'épaisseur d'un substrat donneur. Préalablement à son détachement, la couche à détacher est collée sur un support. On trouvera une description générale des étapes de ce type de procédé dans l'ouvrage " Silicon-On-Insulator technology: Materials to VLSI, 2nd edition " de Jean-Pierre Colinge (Kluwer Academic Publishers) 25 en particulier p.50-51. Les procédés de type SMARTCUT trouvent ainsi une application avantageuse dans la fabrication de SOI. On précise que d'autres types de procédés peuvent également mettre en oeuvre un collage entre deux tranches. En général, la mise en contact intime évoquée ci-dessus ne suffit cependant pas à réaliser un collage solide et permanent: il est nécessaire de faire subir à la tranche multicouche un traitement thermique complémentaire pour stabiliser l'interface de collage entre les deux tranches que comporte ladite tranche. Un tel traitement thermique amène typiquement une tranche 5 multicouche telle qu'un SOI à une température finale de l'ordre de 1100 C. Il s'agit ainsi d'un exemple d'un recuit " haute température " au sens du présent texte. On précise qu'un tel exemple n'est cependant pas limitatif, et on verra que l'invention s'applique de manière générale à tous les recuits haute température comprenant une montée lente en température jusqu'à 10 une température de fin de traitement. Plus précisément, dans le cas de la fabrication de SOI (qui constitue une application préférée de l'invention), le traitement thermique se fait en général en deux phases: * Phase préalable correspondant à une étape d'oxydation de la surface de 15 la tranche. Cette phase a pour but de créer une couche d'oxyde, qui sera éliminée par la suite. Lors de cette première phase, la température est de l'ordre de 950 C, * Phase de stabilisation de l'interface de collage. Lors de cette phase, on effectue une montée en température pour aboutir à une température de 20 I'ordre de 1 1 00 C. Lors de la phase de stabilisation, la montée en température est effectuée selon une rampe droite, correspondant à une progression linéaire de température. La valeur de cette pente est typiquement de 5 C/minute. Ceci 25 correspond à une montée lente en température au sens du présent texte. Un problème lié à la deuxième phase (et de manière plus générale, au recuit de stabilisation d'une tranche multicouche ou même d'une simple tranche) est qu'une telle montée en température génère des défauts de type " slip lines " (ce terme de " slip lines " étant dans le présent texte 30 considéré comme l'équivalent de " lignes de glissement " en français). Ces slip lines sont susceptibles d'apparaître sur toute la surface de la tranche, notamment au niveau de la périphérie de la tranche et des éléments supportant la tranche dans le four de recuit. La figure I illustre ainsi deux vues différentes de slip lines 10 observées au microscope électronique (SEM) sur un SOI. Ces défauts sont en particulier visibles à partir du bord du SOI. La figure 2 illustre ainsi un autre type d'observation d'un SOI comportant des slip lines suite à un recuit de stabilisation. Cette observation est faite par un équipement de type KLA Tencor SPI (marque déposée). Sur cette figure, les slip lines sont entourées. On constate qu'elles se répartissent à la proximité de la périphérie de la tranche. La figure 3 est une autre représentation d'une observation du type de celle de la figure 2, faite sur une tranche de silicium nue ayant subi une recuit haute température de stabilisation du même type que celui subi par 15 les SOI. Cette figure illustre également des slip lines (entourées ici encore) en périphérie de tranche. De telles slip lines constituent évidemment un inconvénient. Un tel inconvénient est, comme décrit ci-dessus, observé en 20 particulier à l'issue d'un recuit de stabilisation d'une interface de collage. Et de manière générale, cet inconvénient peut également être observé pour tout recuit haute température comprenant une montée lente en température jusqu'à une température de fin de traitement, appliqué à une tranche élaborée à partir d'un ou plusieurs matériau(x) choisi(s) parmi 25 les matériaux semiconducteurs. Le but de l'invention est de permettre de s'affranchir au moins dans une certaine mesure de cet inconvénient. Afin d'atteindre ce but l'invention propose un procédé de traitement thermique d'une tranche élaborée à partir d'un ou plusieurs matériau(x) 30 choisi(s) parmi les matériaux semiconducteurs et disposée sur un support, le procédé comprenant une montée lente en température jusqu'à une température de fin de traitement, caractérisé en ce que ladite montée en température est effectuée avec au moins un palier pour diminuer les gradients de température sur la tranche et entre la tranche et son support, en vue de minimiser l'apparition de lignes de glissement dans la tranche.. Des aspects préférés mais non limitatifs du procédé selon l'invention sont les suivants: * les transitions entre les montées en température et le(s) palier(s) sont à effectuer de manière progressive, avec une évolution de température continue, * le(s) palier(s) est (sont) situé(s) dans la partie haute de l'intervalle de température parcouru dans la montée en température, * la tranche est une tranche multicouche comprenant au moins deux couches solidaires par l'intermédiaire d'une interface de collage, et ledit traitement thermique est un recuit de stabilisation de ladite interface de 15 collage, À ladite montée en température succède à une phase d'oxydation menée à environ 950 C, À ladite température de fin de traitement est de l'ordre de 1 1 00 C, a la tranche est un SOI, * la montée en température comporte deux paliers, les deux paliers sont effectués à des températures respectives d'environ 1050 C et 1075 C, À la durée du palier, ou la durée cumulée des paliers, est définie de manière à homogénéiser et minimiser les gradients de température sur 25 la tranche et entre la tranche et son support, a chaque palier dure environ 10 minutes, la progression entre le dernier palier et la température de fin de traitement se fait de manière asymptotique, À la montée en température comporte: > Une montée initiale, linéaire, avec une pente constante de l'ordre de 2 à 5 C/minute, > Un premier palier, > Une deuxième montée, sensiblement linéaire, avec une pente de l'ordre de 2 à 5 C/minute, > Un deuxième palier, > Une troisième montée, asymptotique jusqu'à la température de fin de traitement. D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante de l'invention, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels, outre les figures I à 3 qui ont déjà été 10 commentées ci-dessus: * la figure 4 est graphe illustrant une montée en température d'un procédé selon l'invention, * les figures 5 et 6 sont des graphes illustrant la diminution de slip lines dans la mise en oeuvre de l'invention, respectivement sur une tranche de 15 silicium et sur un SOI, les figures 7 et 8 illustrent les slip lines générées par un traitement thermique à pente uniforme, effectué dans un temps plus long que dans l'état de la technique. En préalable à cette description, on précise qu'elle concerne de 20 manière générale un procédé de traitement thermique appliqué à une tranche élaboré à partir d'un ou plusieurs matériau(x) choisi(s) les matériaux semiconducteurs et disposés sur un support pour subir le traitement thermique. En référence à la figure 4, on a illustré une montée en température 25 correspondant à un mode préféré de réalisation de l'invention. Cette figure représente en ordonnée l'évolution de la température (en C), en fonction du temps (qui est indiqué en heures/minutes). On remarquera sur cette figure que préalablement à la montée en température, un palier a été effectué à une température de l'ordre de 950 C. 30 Ceci peut correspondre à une phase préalable d'oxydation, telle que mentionnée précédemment. L'invention peut en effet être mise en oeuvre sur une tranche multicouche, pour un recuit de stabilisation d'une interface de collage, et ce suite à une première phase de traitement thermique à une température de l'ordre de 950 C, en vue d'oxyder la tranche. On précise toutefois que l'invention peut de manière générale être mise en oeuvre dans le cadre de tout type de recuit haute température comprenant une montée lente en température jusqu'à une température de fin de traitement. Revenant à la montée en température illustrée sur la figure 4, cette 10 montée comporte ainsi, après le palier à 950 C qui correspond à une phase initiale d'oxydation: * une montée initiale, linéaire, avec une pente constante de l'ordre de 3 C par minute. On précise que de manière générale cette pente peut être de l'ordre de 2 à 5 C par minute, a un premier palier, * une deuxième montée, sensiblement linéaire, avec une pente constante sensiblement équivalente à la pente de la montée initiale, À un deuxième palier, * une troisième montée qui permet d'arriver jusqu'à la température de fin 20 de traitement de 1 1 00 C. On précise que si la montée initiale et la deuxième montées sont décrites comme étant " linéaire " ou " sensiblement linéaire ", on réalisera de préférence une transition progressive entre ces montées et les paliers qui les entourent. Dans le recuit effectué selon l'état de la technique au contraire, de telles transitions sont habituellement réalisées, avec une rupture de pente très nette dans la progression de température. La demanderesse a déterminé que le fait de mettre en oeuvre des transitions " douces ", avec une évolution de température continue, permet 30 d'améliorer encore les performances obtenues. On remarquera que la troisième montée n'est pas linéaire, mais voit sa pente décroître progressivement pour approcher de manière " asymptotique " la température de fin de traitement. Par approche " asymptotique " on entend dans ce texte une 5 approche qui (contrairement à une " vraie " asymptote) permet effectivement d'atteindre la valeur finale (température de fin de traitement), mais avec une pente décroissant continûment. Les deux paliers ont chacun une durée qui peut être de l'ordre dela dizaine de minutes. On précise que par " palier ", on entend une étape lors de laquelle on maintient la température à une valeur sensiblement constante, pendant un temps déterminé. La durée des paliers (dont la valeur indicative d'une dizaine de minutes mentionnée ci-dessus n'est pas limitative) doit correspondre à un 15 temps d'attente suffisant pour que les gradients de température sur la tranche (et entre la tranche et son support dans le dispositif de recuit) puissent s'homogénéiser, et au-delà s'annuler dans la mesure du possible. La durée du palier peut donc varier suivant la valeur des rampes de montée en température, et l'écart de température entre les paliers: plus les 20 paliers sont rapprochés en température, plus ils pourront être courts. Il est ainsi possible d'augmenter le nombre de paliers pour une même montée en température, en diminuant la durée de chaque palier. Et à l'inverse, il est possible de mettre en oeuvre l'invention en effectuant un unique palier. Revenant à l'exemple particulier de la montée en température illustrée sur la figure 4, deux paliers sont donc effectués, à des températures respectives d'environ 1050 C et 1075 C. Il est également possible de les mettre en oeuvre à des températures différentes, par exemple à respectivement 1 000 C et 1050 C - mais comme on va le voir ci-après les résultats obtenus ne sont pas aussi bons. Les paliers (ou le palier si la montée en température n'en comporte qu'un) sont (est) ainsi de préférence situé(s) dans la partie haute de lI'intervalle de température parcouru dans la montée en température. Dans le cas d'une montée de 950 C à 1100 C, les paliers seront ainsi de préférence effectués au-dessus de 1050 C. Le fait d'introduire au moins un palier dans la montée en température du traitement thermique de stabilisation permet de diminuer les 10 contraintes thermiques et/ou mécaniques subies par la tranche subissant le traitement. Les slip lines sont en effet dues: * à des contraintes thermiques. On entend par là le fait que différentes parties de la tranche, bien que chauffées globalement ensemble dans un 15 même four, peuvent ne pas toutes être à la même température à un instant donné, * et/ou à des contraintes mécaniques. Il s'agit ici des contraintes résultant des contacts physiques entre la tranche et les éléments mécaniques qui la supportent dans le four. Cet élément mécanique est couramment une 20 nacelle (typiquement en SiC) qui soutient la tranche. Pour autoriser la relaxation de ces contraintes et éviter la formation de slip lines, on pourrait certes imaginer de réaliser la montée en température amenant la tranche de 950 C à 1100 C avec une pente unique faible (très sensiblement inférieure à la valeur classique de 5 C par minute). 25 Mais une telle solution n'est pas envisageable d'un point de vue industriel, car elle ralentirait excessivement le déroulement du procédé de stabilisation. En outre, une telle montée en température linéaire continue demeurerait en tout état de cause susceptible de générer des lignes de 30 glissement, suite aux différences de température créées sur la tranche. L'invention propose donc une solution permettant comme on va le voir de diminuer sensiblement le nombre de slip lines, tout en demeurant compatible avec les exigences de rendement industriel. La figure 5 présente les résultats obtenus en termes de longueur et 5 de nombre de slip lines, pour différentes conditions de montée en température entre 950 et 1100 C. Cette figure présente ainsi: en abscisse, quatre conditions de montée en température: > montée " standard ", menée selon l'état de la technique avec une 10 unique pente linéaire de 5 C par minute, > montée " progressive " consistant en une montée initiale linéaire comme dans l'état de la technique, suivie d'une évolution asymptotique pour approcher la température de 1100 C, > montée " progressive avec paliers ", les deux paliers étant effectués 15 à 1000 C et à 1050 C, > montée " progressive avec paliers " illustrée sur la figure 4, * en ordonnée, la longueur moyenne des slip lines (échelle de gauche), ainsi que le nombre de slip lines constaté (échelle de droite). Cette figure illustre la diminution sensible tant en nombre de slip 20 lines qu'en longueur moyenne de ces slip lines, avec une montée " progressive avec paliers ". On précise que les différentes montées en température de la figure ont été réalisées sur des tranches identiques en silicium massif, et que les slip lines ont été mesurées dans les mêmes conditions avec un unique 25 équipement de type KLA Tencor SP DLS, mesure en mode Normal, Low Throughput, seuils 014/014 sur tranche massive. On remarquera en outre que la montée illustrée sur la figure 4 produit des résultats particulièrement intéressant: diminution du nombre de slip lines de 28 à 10, et diminution de la longueur moyenne de 170 à 60 30 mm. 1il Ces résultats montrent ainsi que la mise en oeuvre de la montée en température de la figure 4 permet de diminuer d'un facteur de l'ordre de 2,5 à 3 les slip lines générées par le traitement thermique de stabilisation. La figure 6 illustre de la même manière des résultats obtenus en 5 terme de longueur de slip lines sur des tranches SOI identiques, ayant subi un traitement thermique de stabilisation réalisé: * soit selon une montée en température conforme à la représentation de la figure 4 (partie gauche du graphe), À soit selon une montée en température " standard ", avec une unique 10 pente linéaire de l'ordre de 5 C par minute (partie droite du graphe). Il apparaît ici encore que l'invention permet de diminuer très sensiblement le nombre des slip lines générées par un traitement thermique de stabilisation (réduction de 207 à 69 slip lines pour des SOI identiques par ailleurs). On précise qu'il est possible de mettre en oeuvre l'invention selon un mode particulièrement simple, dans lequel la montée en température ne comporte qu'un seul palier. On rappelle également que les valeurs de température particulières données ci-dessus pour illustrer un mode de mise en oeuvre de l'invention 20 ne sont pas limitatives. L'invention s'applique ainsi de manière générale à tout recuit haute température comprenant une montée lente en température jusqu'à une température de fin de traitement. On précise en outre que la solution proposée par l'invention, qui 25 consiste à introduire au moins un palier dans la montée en température, offre manifestement les meilleurs résultats en terme de diminution du nombre et de la longueur des slip lines, par rapport à une rampe linéaire sans palier de montée en température, pour des mêmes valeurs de début et de fin de montée. Et ceci est réalisé avec une durée globale de montée en température qui n'est que très légèrement augmentée. A cet égard, la Demanderesse a effectué des essais en soumettant des tranches identiques à une montée en température linéaire selon une 5 pente constante, en prenant pour cette montée en température le même temps global que pour la montée en température de la figure 4. On remarquera en effet que, par rapport à un recuit de stabilisation de l'état de la technique, la mise en oeuvre de l'invention implique de rallonger légèrement le temps du traitement thermique de stabilisation. On précise toutefois qu'il est possible de diminuer la durée du palier final haute température réalisé à la température de fin de traitement, car l'introduction de paliers ayant rallongé le temps global de montée en température, la tranche a durant cette montée été exposée à un budget thermique supérieur au budget qu'elle aurait reçu lors d'une montée linéaire 15 classique. Ces essais ont montré que la diminution du nombre et de la longueur des slip lines n'était pas plus importante dans le cas d'une montée en température à pente constante, effectuée dans le même temps global. Par contre, une telle montée en température à pente constante 20 produit davantage de slip lines situées à l'intérieur des tranches que le procédé selon l'invention. Ceci est illustré sur les figures 7 et 8. Ces slip lines correspondent typiquement aux extrémités des doigts de l'élément mécanique formant support et soutenant la tranche dans le 25 four de traitement thermique. De tels défauts sont situés à l'intérieur de la face active de la tranche et sont considérés comme totalement déclassants pour l'utilisation de la tranche en microélectronique; il s'avère donc que la solution consistant à introduire au moins un palier de température (pour le même 30 temps global de montée en température) est largement préférable. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement thermique d'une tranche élaborée à partir 5 d'un ou plusieurs matériau(x) choisi(s) parmi les matériaux semiconducteurs et disposée sur un support, le procédé comprenant une montée lente en température jusqu'à une température de fin de traitement, caractérisé en ce que ladite montée en température est effectuée avec au moins un palier 10 pour diminuer les gradients de température sur la tranche et entre la tranche et son support, en vue de minimiser l'apparition de lignes de glissement dans la tranche. 2. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé 15 en ce que les transitions entre les montées en température et le(s) palier(s) sont effectuées de manière progressive, avec une évolution de température continue. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé 20 en ce que le(s) palier(s) est (sont) situé(s) dans la partie haute de l'intervalle de température parcouru dans la montée en température. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé 25 en ce que la tranche est une tranche multicouche comprenant au moins deux couches solidaires par l'intermédiaire d'une interface de collage, et ledit traitement thermique est un recuit de stabilisation de ladite interface de collage. 5. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite montée en température succède à une phase d'oxydation menée à environ 950 C. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite température de fin de traitement est de l'ordre de 1100 C. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé 10 en ce que la tranche est un SOI. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la montée en température comporte deux paliers. 9. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que les deux paliers sont effectués à des températures respectives d'environ 1050 C et 1075 C. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé 20 en ce que la durée du palier, ou la durée cumulée des paliers, est définie de manière à homogénéiser et minimiser les gradients de température sur la tranche et entre la tranche et son support. 11. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que 25 chaque palier dure environ 10 minutes. 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la progression entre le dernier palier et la température de fin de traitement se fait de manière asymptotique. 30 13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la montée en température comporte: * Une montée initiale, linéaire, avec une pente constante de l'ordre de 2 à 5 C/minute, * Un premier palier, ò Une deuxième montée, sensiblement linéaire, avec une pente de l'ordre de 2 à 5 C/minute, * Un deuxième palier, * Une troisième montée, asymptotique jusqu'à la température de 10 fin de traitement.