Brevet FR2884046A1 — publié le 20061006

La présente invention concerne de manière générale le traitement des matériaux, et plus particulièrement de substrats pour l'électronique, l'optique ou l'optroélectronique. Plus précisément, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un substrat comprenant une couche superficielle en un premier matériau et une couche sous-jacente en un deuxième matériau, dont le paramètre de maille est différent du paramètre de maille du premier matériau. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le premier matériau est du SiGe, ou du Ge, relaxé. Dans cet exemple, le deuxième matériau est du Si - dont le paramètre de maille est différent du paramètre de maille de la couche de premier matériau (SiGe ou Ge). Toujours dans cet exemple, la couche superficielle de SiGe ou de Ge relaxé est généralement séparée de la couche de Si par une couche de transition dans laquelle le paramètre de maille évolue de manière continue entre ces deux couches. Une couche de transition en SiGe dans laquelle la concentration de Ge et donc le paramètre de maille évolue selon un gradient lorsqu'on parcourt la couche dans le sens de son épaisseur est un exemple d'une telle couche de transition. La concentration de Ge peut atteindre une valeur typiquement comprise entre 20% à 100%. On précise que ces exemples de premier et deuxième matériau ne sont pas limitatifs de l'invention. Mais revenant au type de substrat mentionné ci-dessus, l'invention s'applique ainsi de manière particulièrement avantageuse à la fabrication d'un substrat comprenant une couche superficielle en SiGe (ou en Ge) relaxé et une couche sous-jacente en SiGe qui joue ainsi le rôle d'une couche de transition entre la couche superficielle et une couche de support (par exemple en Si). Un tel substrat est représenté sur la figure 1. Ce substrat 10 comporte une couche de support 100 en Si, une couche superficielle 120 en SiGe (par exemple du SiGe comportant 20% de Ge que l'on notera SiGe 20%), et une couche de transition 110 dans laquelle la concentration de Ge augmente de 0% (au contact de la couche de support) à 20% (au contact de la couche superficielle). Comme on le verra, l'invention concerne également un substrat obtenu par un procédé tel que mentionné ci-dessus. Un tel substrat selon l'invention peut notamment être du type général de celui de la figure 1 (les proportions de Ge pouvant être différentes de celles qui viennent d'être mentionnées à propos de l'exemple de cette figure). On connaît déjà des procédés tels que mentionnés ci-dessus. II est ainsi possible d'obtenir des substrats tels que celui par exemple 10 représenté sur la figure 1. II est également connu de recouvrir ensuite la couche superficielle, dans laquelle la concentration en Ge est constante, par une couche de Si contraint (sSi). Mais les procédés connus sont associés à certaines limitations. Une première limitation tient à la présence de défauts de type dislocations et leurs agglomérats (appelés pile up , selon la terminologie anglo-saxonne répandue) dans la couche superficielle. Il est ainsi difficile d'obtenir des couches présentant des densités de dislocations inférieures à 1E5-1E6 #/cm2 et des densités de pile up inférieures à 5-20 cm /cm2. Ces défauts affectent la structure cristalline de la couche superficielle, et en altèrent la qualité. Les dislocations sont en outre susceptibles de se propager à travers toute l'épaisseur de la couche Une deuxième limitation tient à l'état de surface de la couche superficielle. On observe en effet à la surface des couches telles que la couche 120 de la figure 1 une topologie de rugosité moyenne ( peak to valley selon la terminologie anglo-saxonne c'est à dire littéralement crête à creux ), qui résulte de contraintes dans l'épaisseur de la couche superficielle. Cet état de surface est communément désigné par le terme anglo-saxon de crosshatch . Et nous le désignerons dans ce texte français par le terme de désordre de surface . Ce désordre de surface peut être caractérisé en microscopie par force atomique (Atomic Force Microscopie), Dans le cas d'une couche de SiGe relaxée 20% (c'est à dire comportant 20% de Ge), par une rugosité de l'ordre de 30 angstrôms RMS et 200 angstrôms (rugosité de type Peak to Valley , ou encore PV ) pour des surface balayées ( scan ) de 40*40 micron. La figure 2 illustre un tel état de surface. Ainsi, les procédés connus sont associés notamment à deux inconvénients: défauts de type dislocations, et désordre de surface. On connaît des techniques qui visent à éviter au moins un de ces inconvénients. Ces techniques vont être exposées ci-dessous, en reprenant ici encore l'exemple d'un substrat dont la couche superficielle est en SiGe. Une première technique consiste à traiter la surface du substrat par CMP (polissage mécano-chimique), et à refaire croître sur la surface polie du SiGe. Selon cette technique, la réalisation du substrat est interrompue au cours de la croissance de la couche de SiGe relaxée pour réaliser une étape de rectification de l'état de surface de la couche de SiGe qui a déjà été constituée par CMP, ce qui permet de réduire la rugosité. Après l'étape de CMP, la croissance de la couche de SiGe relaxé est reprise. Il semblerait que cette étape d'élimination de rugosité conduise au cours de la croissance ultérieure à favoriser le glissement et la disparition des dislocations au sein de la couche de SiGe relaxée. Une deuxième technique consiste à faire subir au substrat un recuit, puis une étape de CMP, une fois ledit substrat constitué. Le recuit est mené à haute température (supérieure à 900 C, pendant 2 heures). Il peut favoriser la stabilisation du substrat et la dissipation de la contrainte résiduelle dans la couche de SiGe relaxée. Le CMP ultérieur permet ensuite de rectifier l'état de surface de la 30 couche. Une troisième technique consiste à augmenter l'épaisseur de la couche de transition qui est intercalée entre la couche superficielle de SiGe et la couche de support. Ceci permet de faire évoluer le paramètre de maille de cette couche de transition de manière très progressive typiquement en adoptant un gradient de concentration de Ge plus faible que ce qui serait adopté en l'absence de risque de dislocation. Il est possible que les techniques exposées ci-dessus puisent apporter une solution aux inconvénients exposés ci-dessus. Mais la mise en oeuvre de ces techniques implique des étapes qui rendent le procédé complexe et/ou onéreux. On mentionne par ailleurs à propos des bénéfices obtenus par CMP qu'il a été observé que même après planarisation (c'est à dire aplanissement) d'une surface par CMP, le désordre de surface pouvait réapparaître au cours d'étapes ultérieures de procédé que le substrat subissait, par exemple après transfert ou après un simple traitement thermique. Ceci laisse supposer que le désordre de surface est l'expression d'un phénomène complexe au niveau cristallin et se produisant dans l'épaisseur de la couche, phénomène qui n'a pas été traité par les techniques exposées ci dessus. Il apparaît ainsi que les procédés connus sont associés à des limitations. Le but de l'invention est de permettre de s'affranchir de ces 25 limitations. Afin d'atteindre ce but, l'invention propose selon un premier aspect un procédé de fabrication d'un substrat comprenant une couche superficielle en un premier matériau et une couche sous-jacente en un deuxième matériau, dont le paramètre de maille est différent du paramètre de maille du premier matériau, caractérisé en ce que: É ledit procédé comprend: - une étape d'amorphisation de la couche superficielle, de manière à créer dans ladite couche superficielle une région amorphe s'étendant entre la surface de la couche superficielle et une interface d'amorphisation, la structure cristalline de la région de la couche superficielle qui se trouve sous ladite interface étant préservée de ladite amorphisation, - une étape de recristallisation de ladite région amorphisée, É l'étape de recristallisation permet de créer au niveau de ladite interface un réseau de défauts, É ledit réseau définissant une frontière pour les dislocations de la structure cristalline de la couche superficielle et permettant de confiner lesdites dislocations dans la région de la couche superficielle qui se trouve sous ladite interface. Des aspects préférés, mais non limitatifs de ce procédé sont les 15 suivants: É ladite interface d'amorphisation définit une profondeur constante dans l'épaisseur de ladite couche superficielle, É ladite amorphisation est réalisée par implantation d'espèces dans ladite couche superficielle, É ladite couche superficielle est en SiGe, É ladite implantation est réalisée en implantant des ions de Si ou de Ge, É ladite implantation comporte plusieurs étapes d'implantation successives lors desquelles on fait progressivement diminuer l'énergie d'implantation, É ladite couche superficielle est en SiGe 20%, et l'implantation est réalisée à température ambiante et comporte trois étapes d'implantation réalisées avec les énergies et doses suivantes: - 1 ère étape: 250 keV / 10E15, - 2eme étape: 150 keV / 5.10E14, - 3ème étape: 50 keV / 10E15. É ladite amorphisation est réalisée par exposition de ladite couche superficielle à un faisceau laser pulsé, É les impulsions du laser ont une durée de quelques nanosecondes, É ladite amorphisation est réalisée par exposition de ladite couche superficielle à une radiation d'électrons, É l'étape de recristallisation comprend un traitement thermique de la couche superficielle, É ledit traitement thermique est mené à une température de 500 à 600 C pendant quelques dizaines de secondes à plusieurs heures, É ladite couche superficielle est en Ge, É ladite couche superficielle est comprise entre 500 angstrôms et 3 microns. Selon un deuxième aspect, l'invention propose également l'application d'un procédé tel que mentionné ci-dessus à la fabrication d'une structure multicouche par transfert d'au moins une partie de ladite couche superficielle sur un substrat receveur. Des aspects préférés, mais non limitatifs d'une telle application sont les suivants: É ledit transfert est réalisé selon une méthode de type Smart-CutTM, et l'étape d'amorphisation est réalisée de manière à ce que la profondeur de ladite interface d'amorphisation dans la couche superficielle soit supérieure ou égale à l'épaisseur finale désirée pour la couche transférée. Et l'invention propose également un substrat comprenant une couche superficielle en SiGe et une couche sous-jacente de transition, caractérisé en ce que le désordre de surface est de 2,4 angstrôms RMS et 17 angstrôms PV, pour une zone de balayage de 40*40 microns. Enfin, l'invention propose un substrat comprenant une couche superficielle en SiGe et une couche sous-jacente de transition, caractérisé en ce que la densité dans ladite couche superficielle est de quelques unités de cm/cm2 pour le pile up et de 1E4 à 1E5 pour les dislocations D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante de l'invention, fait en référence aux dessins annexés sur lesquels, outre les figures 1 et 2 qui ont déjà été commentées ci-dessus: É La figure 3 illustre schématiquement deux étapes du procédé selon l'invention. Cette description reprend l'exemple d'un substrat dont la couche superficielle est en SiGe (par exemple SiGe 20%), et la couche de substrat en Si. On rappelle toutefois que cet exemple n'est nullement limitatif de l'invention. L'invention s'applique ainsi à la fabrication de tout substrat comprenant une couche superficielle en un premier matériau et une couche sousjacente en un deuxième matériau, dont le paramètre de maille est différent du paramètre de maille du premier matériau. Et dans le cas du procédé selon l'invention, la fabrication du substrat comprend: - une étape d'amorphisation de la couche superficielle, de manière à créer dans ladite couche superficielle une région amorphe s'étendant entre la surface de la couche superficielle et une interface d'amorphisation, la structure cristalline de la région de la couche superficielle qui se trouve sous ladite interface étant préservée de ladite amorphisation, - une étape de recristallisation de ladite région amorphisée, Ces deux étapes sont schématiquement illustrées sur la figure 3. Cette figure ne fait apparaître que la couche superficielle du substrat (cette couche est référencée 220 et correspond par exemple à la couche 120 de la figure 1). Cette couche 220 est représentée dans son état initial (dans la partie haute de la figure 3). Dans cet état initial cette couche peut comprendre des dislocations (non représentées), notamment du fait de la présence de la couche sous-30 jacente (également non représentée). L'étape d'amorphisation de cette couche superficielle 220 permet de créer dans cette couche une région amorphe 221 s'étendant entre la surface de la couche superficielle et une interface d'amorphisation 220. On rappelle qu'on désigne par amorphe l'état d'un solide caractérisé par l'absence d'ordre cristallin. Ceci est illustré dans la partie médiane de la figure 3. La structure cristalline de la région 222 de la couche superficielle qui se trouve sous ladite interface est quant à elle préservée de l'amorphisation. L'interface d'amorphisation correspond à la limite de profondeur dans la couche 220 à laquelle l'amorphisation produit ses effets (i.e. 10 amorphise la structure de la couche superficielle) Cette interface d'amorphisation définit typiquement une profondeur constante dans l'épaisseur de la couche superficielle 220. L'amorphisation peut être réalisée notamment par implantation d'espèces dans la couche superficielle. D'une manière générale, la nature des ions, la dose implantée et la température d'implantation seront choisies de manière à provoquer l'amorphisation d'une partie de la couche, Les espèces implantées peuvent être des ions de Si ou de Ge. Ceci est notamment applicable au cas d'une couche superficielle en SiGe ou en Ge, car de tels ions ne viendront pas modifier la nature de cette couche. L'implantation peut comporter plusieurs étapes d'implantation successives lors desquelles on fait progressivement diminuer l'énergie d'implantation. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la couche superficielle 220 est en SiGe 20%, et l'implantation comporte trois étapes d'implantation successives réalisées avec les énergies et doses suivantes, à température ambiante (i.e. autour de 20-25 C) : É 1 ère étape: 250 keV / 10E15, É 2ème étape: 150 keV / 5.10E14, É 3ème étape: 50 keV / 10E15. Alternativement, l'amorphisation peut être réalisée par exposition de la couche superficielle à un faisceau laser pulsé. Les impulsions du laser ont typiquement une durée de quelques nanosecondes. Il est également possible de réaliser l'amorphisation par exposition de la couche superficielle 220 à une radiation d'électrons. La partie basse de la figure 3 illustre les effets de l'étape de recristallisation qui suit l'étape d'amorphisation. Cette étape de recristallisation permet de créer au niveau de l'interface d'amorphisation un réseau de défauts 2201 (tels que des boucles de dislocations), entre les régions 221 et 222. Ce réseau définit dans l'épaisseur de la couche 220 une frontière pour les dislocations de la structure cristalline de la couche superficielle. On a en effet dit que la couche 220 pouvait contenir dans son état initial des dislocations. L'étape d'amorphisation a permis d'éliminer de telles dislocations 15 de la région 221, qui a été amorphisée. La région 22 peut quant à elle contenir des dislocations, à l'issue des étapes d'amorphisation et de recristallisation. Au-delà de l'élimination des dislocations de la région 221 au moment de l'amorphisation, l'invention permet de prévenir la réapparition 20 de dislocations dans cette région 221. Le réseau de défauts 2201 permet en effet de confiner les dislocations dans la région 222 de la couche superficielle. Les défauts du réseau 2201 sont des défauts du type EOR (End Of Range selon la terminologie anglo-saxonne répandue). Ces défauts résultent typiquement de l'étape de recristallisation. Pour plus de détails sur de tels défauts on pourra se référer à l'article Silicon processing for the VLSI Era Volume 1 Process technology , second Edition, S. Wolf; R.N Tauber, Lattice press, 2000, pages 391-397. L'étape de recristallisation comprend un traitement thermique de la couche superficielle. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, ce traitement thermique est mené à une température de 500 à 600 C pendant quelques dizaines de secondes à plusieurs heures. A titre d'exemple, pour une couche de SiGe 20% de 500 angstrôms d'épaisseur qui a été amorphisée comme décrit ci-dessus, la recristallisation de toute l'épaisseur de la couche peut être obtenue après des recuits de 500 C pendant 14 heures ou 550 C pendant 0,7 heure, ou encore pendant 125 s à 600 C. L'épaisseur de la couche superficielle peut être comprise entre 500 10 angstrôms et 3 microns. L'invention pourra être appliquée à la fabrication d'une structure multicouche par transfert d'au moins une partie de la couche superficielle 220 (fabriquée comme exposé ci-dessus) sur un substrat receveur. Dans une telle application de l'invention, on fabrique une structure multicouche dont la couche de surface provient de la couche superficielle 220 ou dont la couche de surface a été formée sur la couche superficielle 220. Le transfert pourra notamment être réalisé selon une méthode de type Smart-CutTM (on pourra par exemple se référer aux documents US 20040053477 ou WO 2004006311 pour des exemples de telles applications). Dans ce cas, l'étape d'amorphisation est réalisée de manière à ce que la profondeur de l'interface d'amorphisation dans la couche superficielle 220 soit supérieure ou égale à l'épaisseur finale désirée pour la couche transférée. Dans une variante, on pourra choisir l'énergie et la dose de l'espèce implantée dans l'étape de fragilisation du procédé Smart-CutTM de manière à venir piéger cette espèce au niveau ou à proximité du réseau de défauts 2201 créés par implantation. Ceci permet en effet de limiter ainsi la dose implantée lors de cette étape d'implantation de fragilisation ce qui permet typiquement d'obtenir une rugosité réduite après la fracture du procédé Smart-CutTM Dans le cadre de la mise en oeuvre de l'invention pour la fabrication d'une structure multicouche par transfert d'au moins une partie de la couche superficielle 220 il est possible que la couche transférée soit plus épaisse que la couche 221 (cas par exemple d'un transfert par une méthode de type Smart-CutTM dans laquelle l'implantation de fragilisation est réalisée à travers toute l'épaisseur de la couche 221 et constitue une zone de fragilisation dans l'épaisseur de la couche 222). Dans ce cas on fera subir à la structure multicouche des étapes de finition après transfert (par exemple par CMP, gravure, ou traitement thermique) afin d'effectuer le retrait de la zone 220 résiduelle dans la partie transférée et ne conserver ainsi que la zone saine (i.e. provenant de la couche 221) dans la structure finale. On peut obtenir grâce à l'invention des substrats comprenant une couche superficielle en SiGe et une couche sous-jacente de transition dans lesquels le désordre de surface est de 2,4 angstrôms RMS (rugosité moyenne Root Mean Square ) et 17 angstrôms PV ( Peak to Valley ), pour une zone de balayage (c'est à dire pour un scan ) de 40*40 microns. Dans de tels substrats, la densité dans la couche superficielle est 20 de quelques unités de cm/cm2 pour la pile up et de 1E4 à 1 E5 pour les dislocations. 2884046 12 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un substrat comprenant une couche superficielle en un premier matériau et une couche sous-jacente en un deuxième matériau, dont le paramètre de maille est différent du paramètre de maille du premier matériau, caractérisé en ce que: É ledit procédé comprend: > une étape d'amorphisation de la couche superficielle, de manière à créer dans ladite couche superficielle une région amorphe s'étendant entre la surface de la couche superficielle et une interface d'amorphisation, la structure cristalline de la région de la couche superficielle qui se trouve sous ladite interface étant préservée de ladite amorphisation, > une étape de recristallisation de ladite région amorphisée, É l'étape de recristallisation permet de créer au niveau de ladite interface un réseau de défauts, É ledit réseau définissant une frontière pour les dislocations de la structure cristalline de la couche superficielle et permettant de confiner lesdites dislocations dans la région de la couche superficielle qui se trouve sous ladite interface. 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite 25 interface d'amorphisation définit une profondeur constante dans l'épaisseur de ladite couche superficielle. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite amorphisation est réalisée par implantation d'espèces dans 30 ladite couche superficielle. 4. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite couche superficielle est en SiGe 5. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite implantation est réalisée en implantant des ions de Si ou de Ge. 6. Procédé selon l'une des trois revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite implantation comporte plusieurs étapes d'implantation successives lors desquelles on fait progressivement diminuer l'énergie d'implantation. 7. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite couche superficielle est en SiGe 20%, et l'implantation est réalisée à température ambiante et comporte trois étapes d'implantation réalisées avec les énergies et doses suivantes: É 1 ère étape: 250 keV / 10E15, É 2ème étape: 150 keV / 5.10E14, É 3ème étape: 50 keV / 10E15. 8. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite amorphisation est réalisée par exposition de ladite couche superficielle à un faisceau laser pulsé. 9. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les impulsions du laser ont une durée de quelques nanosecondes. 10. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite amorphisation est réalisée par exposition de ladite couche superficielle à une radiation d'électrons. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de recristallisation comprend un traitement thermique de la couche superficielle. 12. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit traitement thermique est mené à une température de 500 à 600 C pendant quelques dizaines de secondes à plusieurs heures. 13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce 10 que ladite couche superficielle est en Ge. 14. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite couche superficielle est comprise entre 500 angstrôms et 3 microns. 15. Application d'un procédé selon l'une des revendications précédentes à la fabrication d'une structure multicouche par transfert d'au moins une partie de ladite couche superficielle sur un substrat receveur. 16. Application selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit transfert est réalisé selon une méthode de type Smart-CutTM, et l'étape d'amorphisation est réalisée de manière à ce que la profondeur de ladite interface d'amorphisation dans la couche superficielle soit supérieure ou égale à l'épaisseur finale désirée pour la couche 25 transférée. 17. Substrat comprenant une couche superficielle en SiGe et une couche sous-jacente de transition, caractérisé en ce que le désordre de surface est de 2,4 angstrôms RMS et 17 angstrôms PV, pour une zone de balayage de 40*40 microns. 18. Substrat comprenant une couche superficielle en SiGe et une couche sous-jacente de transition, caractérisé en ce que la densité dans ladite couche superficielle est de quelques unités de cm/cm2 pour le pile up et de 1E4 à 1 E5 pour les dislocations.