Brevet FR2891281A1 — publié le 20070330

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un élément en couches minces. Dans de tels procédés, on utilise fréquemment un support comme structure donneuse: une partie de la structure donneuse (en général une couche superficielle) est utilisée comme élément de la structure cible, par exemple au moyen d'un report de couche. On rencontre notamment cette solution pour la fabrication d'une structure de type germanium sur isolant (GeOl), comme cela est décrit par exemple dans les articles "Germanium-On-Insulator (GeOl) structure realized by the smart cutTM Technology', de F. Letertre et al. in Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 809, 2004 Materials Research Society et "200 mm Gernanium-OnInsulator (Ge O!) Structures realized from epitaxial wafers using the smart cutTM technology', de C. Deguet et al., ECS 2005, Québec, vol. 2005 05, page 78. Ces articles proposent deux solutions alternatives pour reporter la couche mince de germanium qui forme la couche superficielle de la structure GeOl: on utilise comme substrat donneur soit un substrat (ou wafer selon le terme anglais) de germanium massif (parfois dénommé "Ge Bulk'), soit un substrat en silicium sur lequel on a déposé par épitaxie une couche de germanium dont une partie au moins sera reportée. La solution utilisant du germanium massif est avantageuse sur le plan électrique du fait de la bonne qualité cristalline du matériau reporté (taux de dislocations du germanium massif proche de zéro), mais la manipulation du germanium massif est relativement complexe, du fait notamment de la forte densité massique de ce matériau, ainsi que de sa fragilité mécanique C'est pourquoi on envisage plutôt à l'heure actuelle d'utiliser en pratique comme substrat donneur la structure à base de germanium épitaxié sur un silicium déjà mentionnée. La mise en oeuvre de cette solution proposée dans les articles déjà cités conduit toutefois à l'obtention de couches de germanium présentant un taux de dislocations de l'ordre de quelques 106 cm"2, générées essentiellement lors de la phase d'épitaxie du germanium sur le silicium du fait de la différence de paramètre de maille entre les réseaux cristallins de ces deux matériaux. De manière générale, il peut être intéressant d'utiliser ainsi comme substrat donneur une structure composée d'un premier matériau déposé par 2 2891281 épitaxie sur un second matériau (par exemple pour profiter des propriétés électriques de l'un et des propriétés mécaniques de l'autre). Si ces deux matériaux ont des paramètres de mailles différents, ce type de solution conduit toutefois sans précaution particulière à un taux de dislocations relativement important dans la couche du premier matériau, ce qui diminue les propriétés électriques de cette couche. Afin d'améliorer cet état de fait, et notamment de proposer un procédé de fabrication d'un élément en couche mince qui puisse allier une facilité de manipulation du substrat donneur et un faible taux de dislocations dans la couche donnée par celui-ci, l'invention propose un procédé de fabrication d'un élément en couches minces, caractérisé par les étapes suivantes: croissance par épitaxie d'une couche cristalline d'un premier matériau sur une couche cristalline d'un support formée dans un second matériau différent du premier matériau, ladite couche du premier matériau ayant une épaisseur telle que son paramètre de maille est déterminé par celui de la couche cristalline du support; - formation d'une couche de diélectrique du côté de la face de ladite couche du premier matériau opposée au support pour former une structure donneuse; - assemblage de la structure donneuse avec un substrat de réception; - élimination du support. On obtient ainsi très peu de dislocations dans la couche du premier matériau. On peut de ce fait choisir indépendamment les deux matériaux pour leurs propriétés respectives, sans que ce choix ne se fasse au préjudice de la qualité cristalline de la couche épitaxiée. Selon possibilité de mise en oeuvre, on effectue préalablement à la formation de la couche de diélectrique, une étape de croissance par épitaxie d'une couche de troisième matériau sur ladite couche du premier matériau, le matériau et l'épaisseur de la couche de troisième matériau étant choisis de sorte que le paramètre de maille du troisième matériau soit déterminé par celui de la couche cristalline du support. La couche du premier matériau est ainsi encapsulée, et donc protégée, entre les couches des second et troisième matériaux. Par ailleurs, les couches sont 3 2891281 de bonne qualité puisque le paramètre de maille est uniforme dans cette partie de la structure. Le troisième matériau est par exemple du silicium. On peut alors éventuellement procéder aux étapes suivantes 5 postérieures à l'étape d'élimination du support: - gravure locale de la couche cristalline du premier matériau jusqu'à la couche du troisième matériau; croissance par épitaxie du troisième matériau sur les régions de la couche du troisième matériau mises à nu par la gravure. On obtient ainsi en surface des régions du premier matériau et des régions du troisième matériau, toutes de bonne qualité cristalline. Chaque région peut ainsi être utilisée dans un but spécifique selon ses propriétés propres. L'étape de formation de la couche de diélectrique peut comprendre une étape d'oxydation au moins partielle de la couche épitaxiée du troisième matériau afin d'obtenir ladite couche de diélectrique. Cette solution est particulièrement pratique et génère une couche d'oxyde de qualité particulièrement bonne. Elle souligne par ailleurs l'intérêt de l'étape de croissance par épitaxie de la couche du troisième matériau mentionnée ci-dessus. En variante, l'étape de formation de la couche de diélectrique de la structure comprend une étape de dépôt d'une couche de diélectrique. La couche de diélectrique est par exemple une couche d'oxyde. Selon un mode de réalisation, le support est une plaque du second matériau. Selon un autre mode de réalisation, le support est du type couche superficielle sur isolant dont la couche superficielle forme la couche cristalline du second matériau. Le premier matériau est par exemple du germanium. Ce cas particulier est intéressant du fait des propriétés électriques du germanium et des difficultés à 30 le manipuler. Le second matériau est par exemple du silicium relaxé dont l'utilisation est relativement courante et la manipulation par conséquent possible avec des moyens classiques. 4 2891281 Selon une variante envisageable, le second matériau est du silicium contraint ou du SiGe, ce qui a notamment pour effet d'augmenter l'épaisseur critique de germanium. Dans tous les cas, on peut envisager une étape de croissance par 5 épitaxie du premier matériau sur la face de la couche cristalline du premier matériau laissée libre par l'élimination du support. La couche de premier matériau finalement obtenue sera dans son ensemble de meilleure qualité qu'une couche de premier matériau de même épaisseur déposée directement sur le support en second matériau. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - les figures 1 à 7 représentent les principales étapes d'un premier exemple de procédé de fabrication d'un élément en couches minces conforme aux 15 enseignements de l'invention; - les figures 8 et 9 représentent deux étapes d'un procédé de fabrication d'un élément en couches minces selon un second exemple de mise en oeuvre de l'invention; les figures 10 et 11 représentent deux étapes ultérieures applicables 20 éventuellement aux structures obtenues par les procédés précités. Les épaisseurs des couches représentées sur les figures sont seulement illustratives et ne doivent pas être comprises comme proportionnelles à l'épaisseur des couches dans la réalité. Un premier mode de réalisation de l'invention est à présent décrit en 25 référence aux figures 1 à 7. Dans ce mode de réalisation, on utilise une plaque 2 de silicium cristallin, comme schématiquement représenté en figure 1. Il s'agit donc ici de silicium parfaitement relaxé. En variante, il est possible d'utiliser un substrat présentant en surface une couche de silicium, par exemple un substrat SOI (silicium sur isolant). Une telle structure comprend un substrat massif (en général en silicium), une couche d'oxyde enterré (généralement dénommée BOX de l'anglais "Buried Oxide") et une couche superficielle de silicium. On fait croître par épitaxie sur cette plaque 2 de silicium une couche 4 de germanium avec une épaisseur inférieure à l'épaisseur critique. L'épaisseur critique 2891281 est l'épaisseur sous laquelle la qualité cristalline de la couche épitaxiée est garantie: au dessus de cette épaisseur, des défauts, notamment des dislocations, apparaissent dans la couche épitaxiée. Sous cette épaisseur critique, la structure cristalline de la couche 4 de germanium (et en particulier le paramètre de maille) est imposée par la structure cristalline superficielle de la plaque 2. L'épaisseur critique dépend bien évidemment du substrat sur lequel est réalisé I'épitaxie. Au sujet de l'épaisseur critique, on pourra se référer à l'article "Calculation of critical layer thickness considering thermal strain in Si1, Gex/Si strained-layer hetero-structures", de J. Huang et al. in J. Appl. Phys. 83 (1), 1998 American Institute of Physics. On fait croître dans l'exemple décrit ici pour une plaque massive de silicium une couche de germanium 4 avec une épaisseur inférieure à 3 nm. On obtient ainsi l'empilement représenté en figure 2. Du fait que l'épaisseur de la couche de germanium 4 est inférieure à l'épaisseur critique et que sa structure cristalline est imposée par celle de la plaque 2, par ailleurs de bonne qualité cristalline, le taux de dislocations dans la couche de germanium est pratiquement nul. Dans le mode de réalisation proposé ici, on dépose alors (par exemple également par épitaxie) une couche très fine 6 de silicium, avec une épaisseur typiquement inférieure à 1 nm, typiquement quelques angstrôms. On obtient alors la structure représentée à la figure 3. En variante, il est possible d'épitaxier une couche un peu plus épaisse de silicium (typiquement, 2 ou 3 nm) et d'oxyder tout ou partie de cette couche par traitement de surface chimique ou physique. Il pourra par exemple subsister après traitement quelques angstréms de silicium, avantageusement 1 ou 2 monocouches de silicium. Du fait de la qualité cristalline du silicium de la plaque 2 et du germanium épitaxié, la couche de silicium épitaxiée sur le germanium présentera elle aussi une bonne qualité cristalline et l'interface entre cette couche de silicium et la couche de germanium sera de bonne qualité, en particulier d'un point de vue électrique. On peut remarquer que le paramètre de maille du germanium dans la couche étant déterminé par celui du silicium de la couche, celui-ci sera également repris dans la couche réalisée en silicium et qu'on évitera ainsi les dislocations quelle que soit l'épaisseur de celle-ci. On remarque que, dans cette structure, la couche de germanium 4 est encapsulée entre la plaque de silicium 2 et la couche 6 2891281 fine 6, ce qui permet une bonne protection de la couche de germanium dans les étapes ultérieures du procédé décrites à présent. Après un nettoyage adapté, on dépose sur la couche fine 6 un diélectrique par exemple Si3N4, un matériau à haute permittivité (comme AIN ou HfO2), un oxyde (comme Al2O3 ou SiO2). Dans cet exemple, on choisit de déposer du SiO2, par exemple par un procédé du type PECVD (pour "Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition", c'est-à-dire dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma. En variante, il est possible de déposer directement cette couche d'oxyde sur la couche de germanium sans avoir recours à la couche de silicium épitaxiée. Dans ce cas, l'interface Ge/SiO2 sera de moins bonne qualité électrique, mais peut suffire pour certaines applications. La couche d'oxyde 8 ainsi déposée est destinée à former la couche d'oxyde enterré (ou BOX de l'anglais "Buried Oxide") de la structure GeOl 15 finalement obtenue. L'empilement obtenu après dépôt de la couche d'oxyde 8, représenté schématiquement à la figure 4, est ensuite reporté sur un substrat receveur 10, par exemple une autre plaque de silicium oxydée ou non en surface. Ce report s'effectue ici par collage moléculaire de la couche d'oxyde 8 sur le substrat receveur 10. On obtient alors la structure représentée à la figure 5 et qui comprend l'empilement suivant: - le substrat receveur 10; - la couche d'oxyde 8; la couche fine de silicium 6 (facultative mais avantageuse) ; - la couche de germanium 4 (dont l'épaisseur est inférieure à l'épaisseur critique) ; - la plaque de silicium 2. On procède alors à l'élimination de la plaque 2, par exemple par une action mécanique (rodage et polissage) et/ou une gravure chimique du silicium sélective par rapport au germanium (par exemple avec du TMAH, c'est-à-dire de l'hydroxyde de tetraméthylammonium). L'avantage de la variante précitée utilisant un substrat SOI plutôt que la plaque 2 massive de silicium comme substrat de départ, réside dans une plus grande facilité d'élimination. En effet, avec un substrat SOI, moins de précautions sont à prendre: le substrat de silicium est tout d'abord éliminé par action mécanique jusqu'à atteindre la couche d'oxyde enterrée. Celle-ci peut ensuite être enlevée par exemple par gravure chimique sélective par rapport au silicium. On élimine ensuite la couche mince de silicium par exemple par gravure chimique sélective par rapport au germanium. On obtient ainsi la structure GeOl souhaitée, comme représenté à la figure 6: - le substrat 10, - la couche d'oxyde enterré 8, - la couche fine de silicium 6 (facultative), - la couche de germanium 4, à présent superficielle. Du fait de son épaisseur inférieure à l'épaisseur critique lors de sa croissance par épitaxie, la couche de germanium 4 inclura très peu de dislocations comme déjà mentionné. Les propriétés électriques de cette couche de germanium 4 sont donc conformes à celles attendues par l'utilisation du germanium, avec une qualité équivalente à celle qui aurait été obtenue par l'utilisation d'un substrat en germanium massif. La présence d'une fine couche 6 de silicium typiquement inférieur au nanomètre entre la couche de germanium 4 et l'oxyde enterré 8 ne remet pas en cause ces bonnes propriétés électriques et assure une interface de bonne qualité avec le germanium. La structure GeOI peut ainsi être utilisée telle quelle dans un composant électronique. II est également possible, si on souhaite utiliser une structure GeOl avec une couche de germanium d'épaisseur supérieure, de procéder à une nouvelle croissance de germanium par épitaxie sur la couche de germanium 4 de la structure GeOl précédente. Pour préserver la qualité cristalline de la couche de germanium, il faudra s'assurer que l'épaisseur de germanium épitaxiée reste inférieure à l'épaisseur critique pour le nouveau substrat considéré à présent et formé de l'empilement Si/SiO2/Si (facultatif) / Ge (contraint). Par ailleurs, si les contraintes au niveau de la qualité cristalline de la couche de germanium sont relâchées, une épaisseur plus grande pourra être épitaxiée. 8 2891281 Le taux de dislocations obtenu sera en tout cas inférieur au taux de dislocations que l'on aurait obtenu en faisant croître directement l'épaisseur totale de germanium finalement utilisée sur une plaque 2 de silicium massif. On obtient dans ces hypothèses la structure représentée à la figure 7 qui diffère de celle de la figure 6 par l'épaisseur supérieure de la couche de germanium 5. On va à présent décrire un second exemple de mise en oeuvre de l'invention en référence aux figures 8 et 9. Ce second exemple est proche du premier exemple qui vient d'être 10 décrit et on limitera pour l'essentiel sa description aux étapes qui le distinguent du premier exemple. Dans ce second exemple, on utilise également une plaque de silicium 12 (ou en variante un substrat de type SOI) sur laquelle on a fait croître par épitaxie une couche de germanium 14 d'épaisseur inférieure à l'épaisseur critique, comme cela a été décrit en référence à la figure 2. Selon le second mode de réalisation décrit ici, on fait croître par épitaxie sur la couche de germanium 4 une couche de silicium avec une épaisseur de l'ordre de quelques nanomètres, par exemple 5 nm (et de manière générale moins de 10 nm). On obtient ainsi une structure avec une couche superficielle de silicium 17 ayant une épaisseur relativement grande par rapport à celle de la couche fine 6 du premier mode de réalisation. On procède alors à l'oxydation de tout ou partie de la couche superficielle de silicium 17, par oxydation thermique (naturellement, à des températures qui ne risquent pas de détériorer la couche de germanium 14 sous- jacente) afin d'obtenir en surface une couche d'oxyde thermique 18 destinée à former l'oxyde enterré dans la structure GeOl finale, comme représenté à la figure 9. Comme visible sur cette figure, on propose ici avantageusement d'arrêter l'oxydation quelques angstroms avant l'interface entre la couche de germanium 14 et la couche de silicium 17 afin de laisser subsister une couche fine de silicium 16 entre la couche de germanium 14 et la couche d'oxyde 18 pour des raisons électriques (les interfaces SiO2/Si/Ge étant de meilleure qualité que l'interface Ge/SiO2 comme déjà indiqué). 9 2891281 La structure ainsi obtenue et représentée à la figure 9 est tout à fait comparable à celle obtenue et représentée en figure 4 dans le premier mode de réalisation et pourra ainsi être utilisée de manière identique à cette dernière (conformément aux étapes décrites plus haut et représentées aux figures 5 et 6, et éventuellement 7) pour former une structure GeOl. La couche de germanium 14 ayant une épaisseur inférieure à l'épaisseur critique comme dans le premier mode de réalisation, les avantages procurés ici sont identiques à ceux déjà décrits. En outre, cette solution permet d'obtenir un oxyde enterré (issu de la couche d'oxyde thermique 18) de meilleure qualité que lorsque cet oxyde est obtenu par dépôt (premier mode de réalisation ci-dessus) et une meilleure interface entre cet oxyde et la couche fine de silicium (16). Il est néanmoins possible si on souhaite une couche d'oxyde plus épaisse, de déposer sur la couche d'oxyde thermique, une couche complémentaire d'oxyde. A partir des structures obtenues aux figures 6 ou 7, c'est-à-dire de structures GeOl présentant sous la couche mince de germanium une très fine couche de silicium (de bonne qualité cristalline), il est possible de graver localement le germanium comme représenté à la figure 10 pour mettre à nu localement la fine couche de silicium 6, 16, puis venir faire une reprise d'épitaxie locale et sélective de silicium sur la couche fine de silicium 6, 16 afin d'obtenir une nouvelle couche de silicium 7 dans la région précédemment gravée dans la couche de germanium 4, comme représenté à la figure 11. On pourra par exemple prévoir, après gravure de la couche de germanium et avant la reprise d'épitaxie de silicium, de protéger les îlots de germanium encore présent par une couche locale de protection laissant subsister des ouvertures de silicium. Cette couche pourra être sélectivement éliminée après l'épitaxie de silicium. Grâce à la structure de la figure 11, il est possible d'utiliser chacune des régions (parties résiduelles de la couche 4 et couche issue de la reprise sélective 7) 30 en bénéficiant des propriétés de chacun des deux matériaux, par exemple pour former des composants différents. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits. 2891281 Par exemple, si les modes de réalisation présentés ci-dessus proposent de déposer la couche de germanium sur du silicium relaxé (Si massif ou SOI), il est également possible de faire croître le germanium sur du silicium contraint (obtenu par exemple par épitaxie sur du SiGe ou provenant d'une structure de type silicium contraint sur isolant, ou sSOI) , ce qui a pour avantage d'augmenter l'épaisseur critique du germanium déposé par épitaxie (c'est-à-dire l'épaisseur possible de germanium qui peut être déposée par épitaxie tout en conservant le paramètre de maille de la structure cristalline qui le reçoit, en minimisant ainsi les risques de dislocations). On peut également faire croître le germanium sur un substrat présentant au moins en surface une couche de SiXGe1_X, par exemple SiGeOl, avec par exemple x=0,8, soit 20 % de germanium. Cette solution permet également d'augmenter l'épaisseur de germanium que l'on peut déposer sans dégradation de qualité cristalline. Pour ces deux derniers exemples (Si contraint et SiGe), si une couche de silicium est épitaxiée sur la couche de germanium épitaxiée, on veillera à ce que l'épaisseur de cette couche de silicium (formée dans ce cas dans un matériau de paramètre de maille différent de celui de la couche superficielle du substrat) reste inférieure à l'épaisseur critique épitaxiable compte tenu de la structure sur laquelle cette épitaxie est réalisée, et ce afin de préserver la qualité cristalline de cette couche et de la couche de germanium sous-jacente. 11 2891281 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un élément en couches minces, caractérisé par les étapes suivantes: - croissance par épitaxie d'une couche cristalline (4; 14) d'un premier matériau sur une couche cristalline (2; 12) d'un support (2; 12) formée dans un second matériau différent du premier matériau, ladite couche du premier matériau (4; 14) ayant une épaisseur telle que son paramètre de maille est déterminé par celui de la couche cristalline (2; 12) du support (2; 12) ; - formation d'une couche de diélectrique (8; 18) du côté de la face de ladite couche du premier matériau (4; 14) opposée au support (2; 12) pour former une structure donneuse (2, 4, 8; 12, 14, 18) ; - assemblage de la structure donneuse (2, 4, 8; 12, 14, 18) avec un substrat de réception (10) ; -élimination du support (2; 12). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, préalablement à la formation de la couche de diélectrique (8; 18), une étape de croissance par épitaxie d'une couche de troisième matériau (6; 17) sur ladite couche du premier matériau (4; 14), le matériau et l'épaisseur de la couche de troisième matériau étant choisis de sorte que le paramètre de maille du troisième matériau soit déterminé par celui de la couche cristalline du support (2; 12). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par les étapes suivantes 25 postérieures à l'étape d'élimination du support: - gravure locale de la couche cristalline du premier matériau jusqu'à la couche du troisième matériau; - croissance par épitaxie du troisième matériau sur les régions de la couche du troisième matériau mises à nu par la gravure. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'étape de formation de la couche de diélectrique comprend une étape d'oxydation au moins partielle de la couche épitaxiée du troisième matériau (17) afin d'obtenir ladite couche de diélectrique (18). 12 2891281 5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le troisième matériau est du silicium. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite étape de formation de la couche de diélectrique (8; 18) de la structure comprend une étape de dépôt d'une couche de diélectrique (8). 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la 10 couche de diélectrique (8; 18) est une couche d'oxyde. 8. Procédé selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le support est une plaque du second matériau (2). 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le support est du type couche superficielle sur isolant dont la couche superficielle (26) forme la couche cristalline du second matériau. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que 20 le premier matériau est du germanium. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le second matériau est du silicium relaxé. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le second matériau est du silicium contraint. 13. Procédé selon l'unes des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le second matériau est du SiGe. 14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé par une étape de croissance par épitaxie du premier matériau sur la face de la couche cristalline (4; 14) du premier matériau laissée libre par l'élimination du support (2; 12).