Brevet FR2899382A1 — publié le 20071005

PROCÉDÉ DE FABRICATION DE STRUCTURES SOI AVEC LIMITATION DES LIGNES DE GLISSEMENT Domaine technique et art antérieur La présente invention concerne la fabrication de plaques, également dénommées "wafer", et notamment celles de type SOI (acronyme de l'expression anglo-saxonne "Silicon On Insulator" pour "silicium sur isolant"). De façon bien connue, le procédé de fabrication d'une plaque SOI mettant en oeuvre la technologie Smart CutTM (décrite dans le document US 5 374 564 ou dans l'article de A.J. Auberton-Hervé et al. intitulé "Why can Smart-Cut Change the future of microelectronics Int. Journal of High Speed Electronics and Systems, Vol.10, Nol, 2000, p.131-146) fait appel à une opération de transfert entre une tranche mince de silicium donneuse qui est préalablement oxydée, implantée et collée sur une tranche de silicium acceptante formant le substrat de base. Une fois ce transfert effectué, la plaque SOI ainsi obtenue entre dans un processus de finition qui aura pour but principal de parfaire la stabilisation de son interface de collage, d'améliorer la rugosité de sa surface, et de réduire son épaisseur à celles souhaitées sur le produit final. Ce processus de finition fait appel, sans que cela puisse en exclure d'autres techniques, à des procédés de traitement thermique. A la suite de ces traitements thermiques, et plus particulièrement ceux réalisés à hautes températures (haute température s'entendant dans une acceptation générale comme étant supérieure à 1000 C), des défauts de type "slip lines" (ce terme de "slip lines" étant dans le présent texte considéré comme l'équivalent de "lignes de glissement" en français) peuvent être observées sur les plaques. Ces slip lines sont susceptibles d'apparaître sur toute la surface de la plaque, notamment au niveau de la périphérie de la plaque et des éléments supportant la plaque dans le four de recuit. Ces défauts rendent impropres l'utilisation des plaques SOI pour la fabrication de circuits. La figure 1 présente une vue observée au microscope électronique (SEM) d'une slip line 10 sur une plaque SOI, la slip line 10 traversant la couronne depuis le bord de la plaque (à gauche de la vue). Pour la fabrication des plaques SOI, la tranche de silicium acceptante formant le substrat de base est préalablement préparée avant la fabrication de la structure SOI. Cette préparation comprend typiquement comme illustré sur la figure 2, des étapes S1 à S12 correspondant respectivement à : - S1: tirage d'un lingot de silicium, - S2: sciage de tranches de silicium dans le lingot, - S3: traitement mécanique des tranches, - S4: traitement chimique des tranches, - S5: nettoyage des tranches, - S6: recuit DKA des tranches, - S7: polissage bordure des tranches, - S8: polissage des tranches, - S9: nettoyage des tranches, - S10: inspection des tranches, - S11: conditionnement des tranches, et - S12: expédition des tranches chez le fabriquant de plaques SOI. Parmi ces étapes, l'étape S6 correspond à la mise en oeuvre d'un 25 Recuit dit "Donor Killer Anneal" (ci-après appelé "recuit DKA") ou encore "Thermal Donor killer". Le recuit DKA consiste en une opération de traitement thermique. Il peut s'agir en l'occurrence soit d'un traitement à basse température (le terme de basse température s'entendant ici de l'ordre de 500 à 700 C) 30 dans un four de type Batch pendant une durée de quelques dizaines de minutes, soit d'un traitement de type RTP ("Rapid Thermal Process") à plus haute température (ce terme s'entendant ici comme supérieur à 700 C) et pour des durées plus courtes (de quelques secondes à quelques minutes). Il a pour vocation de supprimer les atomes d'oxygène donneurs de charge inclus dans le matériau, en les convertissant d'un état "susbtitutionnel" à un état "intersticiel". Résumé de l'invention L'invention a pour but de proposer une solution de fabrication de 10 plaques SOI qui permet de diminuer l'apparition des défauts de type slip lines dans les plaques sans affecter les autres caractéristiques de la plaque SOI finale (macro défauts, caractéristiques électriques, nano-topologie, défectivité particulaire, etc.). Ce but est atteint avec un procédé de fabrication d'une plaque 15 SOI comprenant au moins les étapes suivantes: a) préparation d'un substrat de base en silicium, b) implantation d'espèces à travers une surface d'une tranche de silicium donneuse, c) collage de ladite tranche de silicium donneuse sur ledit 20 substrat de base au niveau de sa surface implantée, d) détachement de la tranche de silicium donneuse au niveau de la zone fragilisée par l'implantation, caractérisé en ce que, dans l'étape a), le substrat de base est formé d'une tranche de silicium n'ayant subit aucun traitement thermique 25 de type recuit DKA. Ainsi, l'invention propose d'utiliser des substrats de base pour la fabrication de plaques SOI qui n'ont pas subit de traitement thermique de type DKA, à savoir un traitement thermique à une température supérieure ou égale à environ 500 C pendant plusieurs minutes ou à une 30 température d'au moins 700 C sur une durée de quelques secondes à quelques minutes.5 Comme démontré plus loin, la suppression du recuit de type DKA lors de la préparation du substrat de base pour la fabrication d'une plaque SOI, et en particulier une plaque SOI de diamètre de 300 mm, permet de réduire largement la défectivité de type slip lines dans la plaque SOI finale sans dégrader les autres caractéristiques de la plaque SOI. Cette suppression permet en particulier d'éliminer les slip lines dans la plaque aux endroits correspondant aux portions de en contact avec le support ("boat") utilisé dans le four de recuit DKA lors de la préparation du substrat de base standard. La présente invention concerne également un substrat de base pour la fabrication d'une plaque SOI conformément au procédé décrit précédemment, caractérisé en ce qu'il est formé d'une tranche de silicium n'ayant subit aucun traitement thermique de type recuit DKA. Brève description des figures - la figure 1 est une photographie prise au microscope électronique (SEM) montrant un défaut de type slip lines sur une plaque 20 SOI, - la figure 2 est un ordinogramme illustrant les étapes mises en oeuvre dans la préparation d'un substrat de base de l'art antérieur utilisé pour la fabrication d'une plaque SOI, - la figure 3 est une cartographie obtenue en mesurant une 25 plaque de SOI finale avec un équipement de type KLA Tencor SPI ou SP2 montrant les défauts de type slip lines présents sur la plaque SOI fabriquée avec un substrat de base ayant subit un recuit DKA au cours de sa préparation, - la figure 4 est une cartographie obtenue en mesurant une 30 plaque de SOI finale avec un équipement de type KLA Tencor SPI ou SP2 montrant les positions relatives des points de contacts du support utilisé pour le recuit DKA avec les défauts de type slip lines observés sur la plaques SOI finale, et - la figure 5 est un graphe montrant la diminution de la longueur moyenne des défauts de type slip lines sur des plaques SOI finales réalisées avec des substrats de base n'ayant pas subit de recuit DKA au cours de leur préparation. Exposé détaillé de modes de réalisation de l'invention La méthode de la présente invention s'applique d'une manière générale à la réalisation de plaques (wafers) SOI par la technologie Smart CutTM. L'invention propose de supprimer le recours au recuit DKA (étape 15 S6 dans la figure 2) dans la préparation des substrats de base utilisés pour la fabrication des plaques SOI, en démontrant que cette suppression améliore la défectivité de type slip lines sans impacter les autres paramètres des plaques SOI fabriquées. De façon bien connue, la fabrication d'une plaque SOI suivant la 20 technologie SmartCutTM comprend les étapes suivantes : -implantation d'espèces gazeuses, (H, He,... seule ou en combinaison) dans un premier substrat de silicium oxydé pour former une zone de fragilisation dans celui-ci délimitant une tranche de silicium donneuse, 25 - collage, par exemple par adhésion moléculaire, du premier substrat de silicium sur un deuxième substrat en silicium correspondant au substrat de base préparé comme décrit précédemment, - détachement par clivage ("splitting") (thermiquement ou 30 mécaniquement) de la tranche de silicium donneuse au niveau de la zone fragilisée par l'implantation, et éventuellement10 finition par gravure chimique, polissage/planarisation, et/ou traitement thermique. On obtient ainsi une plaque SOI comprenant un substrat de base avec une couche d'oxyde (SiO2) enterrée et un film mince silicium obtenu 5 par le report de la tranche de silicium donneuse. Dans le cadre d'une plaque SOI, les défauts de type slip lines sont typiquement reliés aux caractéristiques du substrat de base. Inversement, les caractéristiques du substrat de base peuvent prédisposer la défectivité slip lines observée sur les plaques SOI finales. Généralement, 10 dans la plaque SOI, le substrat de base a pour principale fonction de supporter mécaniquement la couche mince de silicium transférée. Les propriétés du matériau formant le substrat de base sont généralement moins étudiées que ceux du matériau de la couche mince. La figure 3 montre la défectivité slip lines (reproductible dans sa 15 position) observée sur des plaques SOI produites à partir de substrats de base préparés spécifiquement avec un recuit de type DKA. Cette figure correspond à la cartographie obtenue en mesurant la plaque SOI finale sur un équipement d'inspection automatique de type KLA Tencor SPI ou SP2, avec une recette de mesure adaptée à ce type de défectivité et des seuils 20 de l'ordre de 0,2 ou 0,15 pm. Les slip lines considérées correspondent aux slip lines 21 et 22 encadrées sur le bord de la plaque 20. La position de ces slip lines corrèle avec les points de contact du support ("boat") utilisé dans le four de recuit DKA lors de la préparation du substrat de base. Les positions des points de contact du support sont 25 repérées sur la figure 4 par des cercles 23, 24 et 25. L'avantage principal sur le produit SOI final de la suppression du recuit DKA dans la préparation du substrat de base ayant servi à sa fabrication se trouve dans l'amélioration de la défectivité de type slip lines. La figure 5 montre la longueur moyenne des slip lines mesurées sur des 30 plaques SOI de 300 mm de diamètre, les plaques étant toutes produites suivant le même procédé comme décrit précédemment, avec comme seule différence la présence ou non d'un recuit DKA dans la préparation du substrat de base utilisé. On constate que les plaques SOI fabriquées avec des substrats de base préparés sans recuit DKA ("Sans DKA Type A", "Sans DKA Type B" et "Sans DKA Type C" sur la figure 5) présentent une défectivité slip lines très largement réduite par rapport aux plaques SOI réalisées avec un substrat de base préparé avec un recuit DKA ("Avec DKA Type C" sur la figure 5). Plus précisément, sans recuit DKA du substrat de base, la plaque SOI présente une longueur moyenne de slip lines au moins inférieure à 3000 microns ("Sans DKA Type C" sur la figure 5) alors qu'avec un recuit DKA du substrat de base elle présente une longueur moyenne de slip lines supérieure à 8500 microns ("Avec DKA Type C" sur la figure 5). Par ailleurs, la demanderesse a constaté que la suppression du recuit DKA dans la préparation du substrat de base n'induit aucune autre variation dans les caractéristiques de la plaque SOI finale. On peut citer en 15 particulier : - Absence d'impact sur la caractérisation des macro-défauts (BMD pour "Bulk Micro-Defect", principalement issus de la précipitation d'oxygène du substrat au cours des différents traitements thermiques que subit le substrat) inclus dans les 20 matériaux constitutifs de la plaque SOI (Densité de l'ordre de 1.108 défauts/cm3), Absence d'impact sur la caractérisation électrique (mobilité des électrons, mobilité des trous, densité de sites de piégeage aux interfaces (DIT)) des plaques SOI produites, 25 - Absence d'impact sur la nano-topologie finale des plaques SOI produites, - Absence d'impact sur la défectivité particulaire observée sur les plaques par un équipement de type KLA Tencor SPI ou SP2, à l'exception des slip lines mentionnées ci-dessus. 30 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une plaque SOI comprenant au moins 5 les étapes suivantes: a) préparation d'un substrat de base en silicium, b) implantation d'espèces à travers une surface d'une tranche de silicium donneuse, c) collage de ladite tranche de silicium donneuse sur ledit 10 substrat de base au niveau de sa surface implantée, d) détachement de la tranche de silicium donneuse au niveau de la zone fragilisée par l'implantation, caractérisé en ce que, dans l'étape a), le substrat de base est formé d'une tranche de silicium n'ayant subit aucun traitement thermique 15 de type recuit DKA. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans l'étape a), la tranche de silicium formant le substrat de base n'a pas été soumise à des traitements thermiques supérieurs à 500 C. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on élimine les défauts de type slip lines aux endroits de la plaque SOI correspondant aux portions de contact du substrat de base avec un support utilisé dans un four lors d'un recuit DKA. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la plaque SOI à un diamètre de 300 mm. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la 30 plaque SOI présente une longueur moyenne de slip lines inférieure à 3000 microns. 20 25 6. Substrat destiné à former un substrat de base pour la fabrication d'une plaque SOI conformément au procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est formé d'une tranche de silicium n'ayant subit aucun traitement thermique de type recuit DKA.