Brevet FR2911597A1 — publié le 20080725

PROCEDE DE FORMATION ET DE CONTROLE D'INTERFACES RUGUEUSES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR L'invention concerne le domaine de la réalisation de microstructures ainsi que le traitement de substrats en matériau semi-conducteur. Certaines opérations, telles que des opérations de collage, imposent en microélectronique de disposer de surfaces à coller aussi lisses que possibles. Par dispositifs, et une membrane ou d'avoir recours à des surfaces, en regard l'une de l'autre mais ne afin justement intempestifs de regard et de pouvoir maintenir la mobilité de cette 20 membrane. Ainsi le document FR 2 857 953 divulgue un tel procédé de réalisation de structures de type BSOI dans lequel on réalise une zone dite structurée, permettant d'éviter de coller à une autre surface. Ce 25 type de structures trouve un intérêt dans le domaine des MEMS, et plus particulièrement dans le cas où la membrane superficielle de silicium doit être libérée pour la fabrication de capteurs. Au moment de l'étape de libération, qui est 30 par exemple une attaque de l'oxyde sous-jacent, ou contre, la réalisation de certains notamment du type mettant en oeuvre une partie mobile, peuvent nécessiter pouvant pas adhérer l'une à l'autre, de pouvoir éviter des collages la membrane sur la surface située en pendant le fonctionnement du capteur, il arrive que la membrane se colle au substrat induisant ainsi le dysfonctionnement du composant. Comme expliqué dans le document ci-dessus, un substrat BSOI qui comporte une interface enterrée rugueuse permet de palier ce problème : la rugosité de l'interface enterrée évite tout collage entre la membrane et le support. Dans le document FR 2 857 953 la rugosification de surface peut se faire par diverses techniques, par exemple par l'utilisation de négatifs unibond , produits par procédé Smart Cut . Un tel procédé est décrit dans FR 2 681 472 ou encore dans B. Aspar et al. The generic nature of the smart cut process for thin film transfer , J. of Elec. Material, vol.30, n 7, 2001. Pour obtenir la rugosité enterrée adaptée aux différents substrats BSOI antisticking, il est donc nécessaire d'approvisionner des négatifs ayant cette rugosité particulière. Il se pose donc le problème de trouver un nouveau procédé permettant de réaliser de tels substrats ou négatifs, ayant une rugosité particulière en surface, rugosité qui permet notamment, lors de la fabrication de membranes ou de parties mobiles de capteurs intégrés, d'éviter les effets de collage mentionnés ci-dessus. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention proposée permet une plus grande 30 flexibilité quant à l'approvisionnement ou à la réalisation en substrats de rugosité spécifique, car elle permet d'adapter la rugosité des substrats en fonction des besoins. Un procédé selon l'invention permet le recyclage des négatifs Unibond en adaptant leur rugosité de surface à l'application MEMS désirée, par exemple dans le cadre de la fabrication de BSOI antisticking. L'invention concerne d'abord un procédé de réalisation d'une interface rugueuse, de rugosité R2 prédéterminée, dans un substrat semi-conducteur, comportant : - la sélection d'un substrat semi-conducteur, présentant une surface de rugosité R1>R2, - une étape d'oxydation thermique de ce substrat, jusqu'à l'obtention d'une interface oxyde semi-conducteur de rugosité R2. L'oxydation thermique est réalisée de préférence sur une épaisseur supérieure ou égale à 0,2 }gym ou 0,5 }gym, et par exemple sous atmosphère sèche ou humide. Le substrat semi-conducteur sélectionné comporte par exemple une rugosité HF (haute fréquence) comprise entre 5 et 10 nm RMS et/ou une rugosité BF (basse fréquence) comprise entre 2 et 10 nm RMS. Le substrat semi-conducteur de rugosité R1 peut être un négatif issu de la fabrication de structures SOI par la technologie Smart Cut (technique par fracture d'un substrat). L'invention concerne également un procédé de formation d'un composant semi-conducteur avec interface rugueuse enterrée, comportant : - la formation d'une interface oxyde/silicium rugueuse de rugosité R2 prédéterminée dans un premier substrat semi-conducteur selon un procédé selon l'invention, telle qu'expliquée ci-dessus, - une préparation de la surface oxydée, en vue d'un assemblage avec un deuxième substrat, -l'assemblage de la surface de l'oxyde et du deuxième substrat. Le deuxième substrat peut être un substrat brut ou bulk, ou encore être obtenu par un procédé selon l'invention, telle qu'expliquée ci-dessus. L'un des deux substrats peut être ensuite aminci, par exemple par une technique mécanique, et/ou chimique, et/ou par fracture du substrat. Cette structure finale peut ensuite être utilisée par exemple pour la réalisation de structures antisticking, c'est - à - dire de structures BSOI ayant une interface enterrée rugueuse. Lors de l'élaboration des composants sur la structure finale, et notamment des parties mobiles et membranes, au moins une portion de l'oxyde ou du matériau oxydé peut être éliminée, par exemple par gravure à travers au moins un orifice réalisé dans un des deux substrats, typiquement dans la couche superficielle d'un substrat SOI. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS - Les figures 1A et 1B représentent l'obtention d'un négatif de type unibond , ou substrat rugueux. - Les figures 2A - 2C représentent un mode de réalisation de l'invention. - La figure 3 représente l'évolution du Naze en fonction de l'épaisseur d'oxyde formé. - Les figures 4A et 4B représentent l'assemblage d'un substrat selon l'invention avec un autre substrat. - Les figures 5A et 5B représentent l'assemblage de deux substrats selon l'invention. - La figure 6 représente un composant obtenu selon l'invention, avec cavité enterrée sous une membrane. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On va d'abord expliquer comment un substrat rugueux peut être obtenu. Dans l'exemple choisi, il s'agira d'un négatif Unibond , obtenu à partir d'un procédé Smart Cut ou de fracture de substrat. Comme illustré en figure 1A, on sélectionne un premier substrat 6 semi-conducteur. Ce substrat 6 peut être par exemple en Silicium bulk ou massif. Sur ce substrat est réalisée, par oxydation thermique par exemple, une zone ou couche isolante (on prendra l'exemple de l'oxyde de silicium SiO2) 4 ayant une épaisseur typique de l'ordre de quelques centaines de nm, par exemple comprise entre 100 nm et 500 nm. Dans ce substrat semi-conducteur 6 est réalisée une implantation atomique ou ionique, formant une couche mince 8 qui s'étend sensiblement parallèlement à une surface 11 du substrat 6. En fait est ainsi formée une couche ou un plan de fragilisation ou de fracture délimitant dans le volume du substrat 6 une région inférieure 10 destinée à constituer un film mince et une région supérieure 13 constituant la masse du substrat 6. Cette implantation est en général une implantation d'hydrogène, mais peut être aussi faite à l'aide d'autres espèces, ou encore avec une co-implantation H/He. Ce substrat 6 ainsi préparé est ensuite assemblé par une technique de collage par adhésion moléculaire avec un deuxième substrat 2, par exemple en silicium. On pourra se reporter, en ce qui concerne ces techniques, de collage, à l'ouvrage de Q.Y. Tong et U. Gosele Semi-conductor Wafer Bonding (Science and Technology), Wiley Interscience Publications. Une partie du substrat 6 est ensuite détachée par un traitement permettant de provoquer une fracture le long du plan de fragilisation 8. Un exemple de cette technique est décrit dans l'article de A. J. Auberton-Hervé et al. Why can Smart-Cut change the future of microelectronics? paru dans International Journal of High Speed Electronics and Systems, Vol. 10, N 1 (2000), p. 131-146. Sont ainsi formés, d'une part un composant ou un élément semi-conducteur 12, et d'autre part une partie résiduelle 16 du substrat 6, présentant, du fait de la fracture, une surface 14 rugueuse. Cette partie résiduelle constitue un substrat rugueux de départ pour la suite des explications ci-dessous. Selon un mode de réalisation de l'invention, illustré en figures 2A - 2C, un substrat rugueux 16, ou négatif Unibond , résultant par exemple d'un procédé tel qu'expliqué ci-dessus, est sélectionné. Il s'agit alors de la partie pelée du substrat après report de couche par la technique Smart Cut . Il est par exemple en silicium. La surface 14 de ce substrat 16 présente une certaine rugosité R1 (figure 2A). Celle-ci varie par exemple de 5 nm à 10 nm RMS (mesure au microscope à force atomique (AFM) sur des zones de surface 5*5jm') dans le domaine des hautes fréquences, et de 2 nm à 10 nm RMS (mesure au profilomètre mécanique avec une pointe de 2pm et des scans de 500pm) dans le domaine des basses fréquences. Selon l'invention on adapte la rugosité du substrat 16 sélectionné, par exemple en fonction du type de MEMS (type d'application, type de capteurs, dimensions et caractéristiques de la membrane...) que l'on désire réaliser. A cette fin, on réalise de façon préférentielle une désoxydation du substrat négatif 16. Celui - ci est ensuite nettoyé par nettoyage de type CARO RCA ou ozone RCA. Un traitement éventuel avec du TMAH (étape de gravure chimique au hydroxyde de tétraméthylammonium) permet de réaliser un amincissement d'environ 2 à 3 m, afin d'éliminer une zone perturbée par l'étape d'implantation. Puis on réalise une oxydation du substrat 16 sous atmosphère sèche ou humide, d'une épaisseur comprise par exemple entre 0,2 }gym et 2 }gym, préférentiellement de l'ordre de 0, 5pm (figure 2B). Compte tenu de la rugosité de la surface 14 du substrat 16, le front d'oxydation 22 est irrégulier et va donc transférer une partie de la rugosité à une interface oxyde/silicium qui va se situer dans le substrat 16, à une profondeur qui va dépendre des conditions d'oxydation, et notamment de la température et de la durée pendant laquelle elle est réalisée. Est représenté en figures 2B et 2C un même substrat 16, respectivement après une oxydation de durée t1 et après une oxydation de durée t2 > t1, ces oxydations ayant été effectuées à la même température. La couche d'oxyde 20 du premier cas est d'épaisseur el inférieure à e2, épaisseur de la couche d'oxyde 20' du deuxième cas, tandis que les rugosités respectives sont : R'2 En contrôlant l'épaisseur e d'oxyde généré, on contrôle les fréquences spatiales et l'amplitude (RMS, PV) de la rugosité finale (R2) souhaitée au niveau de l'interface oxyde/silicium. Selon l'épaisseur d'oxyde 20, 20' généré, la rugosité est donc plus ou moins atténuée, ce qui permet de contrôler la rugosité résultante au niveau de l'interface oxyde/silicium (R2). La figure 3 représente l'évolution du Naze mesurée sur la surface de silicium (après retrait de l'oxyde) avec un équipement de type surfscan TENCOR (6200), en fonction de l'épaisseur e d'oxyde obtenue après l'étape d'oxydation. Le haze est lié à la lumière diffusée par la surface et est donc représentatif de la rugosité de cette surface. Le haze permet donc d'obtenir une information sur la rugosité de la surface en fonction de l'épaisseur d'oxyde formé. On voit que, dans la gamme d'épaisseurs 0, 5pm - 2pm ou 1pm - 2pm, et même au- delà de 2pm, la rugosité est fortement atténuée en même temps que l'épaisseur d'oxyde augmente. Mais un effet peut être obtenu également pour des épaisseurs supérieures à 0, 2pm. Le substrat rugueux initial 16 peut donc être traité en vue d'une utilisation dans la réalisation de certaines catégories de composants. Un tel substrat traité selon l'invention, comportant une interface enterrée oxyde/silicium rugueuse prédéterminée, peut être utilisé pour différentes applications. Un substrat traité selon l'invention peut donc être employé pour la fabrication de substrats BSOI antisticking, en substrat supérieur (ou substrat top ) et/ou en substrat support. On peut réaliser un collage du substrat oxydé à interface rugueuse. Une préparation de la surface de l'oxyde est alors recommandée, une étape optionnelle de détourage mécanique peut également être réalisée afin d'éliminer la couronne qui n'a pas été éliminée par l'oxydation. Comme illustré en figure 4A, on peut réaliser une étape de polissage mécano-chimique, afin de restituer une bonne rugosité de surface (c'est-à-dire une rugosité adaptée cette fois à un collage) de la couche d'oxyde 20 (ou 20'). Comme illustré en figure 4B, un collage, par exemple un collage direct ou par adhésion moléculaire, peut ensuite être réalisé sur un deuxième substrat 34, par exemple de silicium massif (ou bulk ). On peut ensuite amincir ce deuxième substrat 34. Toute technique d'amincissement peut être mise en oeuvre, par exemple une technique mécanique, ou chimique, ou mécano-chimique ou par procédé Smart Cut . Un collage direct peut aussi être réalisé sur un deuxième substrat 44 ayant lui aussi une interface rugueuse enterrée 42 (figure 5A). Ce substrat a été de préférence obtenu selon le procédé décrit ci- dessus. La structure assemblée peut ensuite subir un traitement thermique pour renforcement de l'interface de collage et une ou des étapes d'amincissement jusqu'à l'obtention d'une structure BSOI 46, comportant une ou deux interfaces rugueuses oxyde/silicium. La figure 5B représente une telle structure avec deux interfaces rugueuses 22, 42 et une couche résiduelle 45 du deuxième substrat. Lors de l'élaboration de membranes ou partie mobiles de capteurs intégrés, une partie de l'oxyde 20 peut ensuite être enlevée localement par gravure à travers des orifices 111, 113 pratiqués dans la couche résiduelle 45. On peut ainsi créer localement des cavités sous des membranes. L'interface rugueuse 42 permet d'éviter un collage ou une adhérence intempestive de la membrane sur le substrat 14. Ainsi la figure 6 représente une telle cavité 50 dans le substrat 46 après gravure de la couche d'oxyde 20 à travers des orifices 111, 113 de la couche 45, dont la portion située au-dessus de la cavité 50 forme une membrane. Les exemples donnés ci-dessus mettent en oeuvre un substrat en silicium. Mais l'invention peut être appliquée à tous les substrats semi-conducteurs pouvant être oxydés, et notamment: Si monocristallin, Si poly cristallin, Si amorphe, SiC. REVENDICATIONS 1. Procédé de formation d'un composant semi-conducteur avec interface rugueuse enterrée, comportant : a) la formation d'une interface rugueuse (22, 22') de rugosité R2 prédéterminée, dans un premier substrat semi-conducteur (16), avec : * la sélection d'un substrat semi- conducteur (16), présentant une surface (14) de rugosité R1>R2, * une étape d'oxydation thermique de ce substrat, jusqu'à l'obtention d'une interface oxyde - semi-conducteur (22, 22') de rugosité R2, b) une préparation de la surface oxydée de ce premier substrat semi-conducteur, en vue d'un assemblage avec un deuxième substrat (34, 44), c) l'assemblage de la surface de l'oxyde du premier substrat et du deuxième substrat (34, 44). 2. Procédé selon la revendication 1, l'oxydation thermique étant réalisée sur une épaisseur supérieure ou égale à 0,2pm. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, l'oxydation thermique étant réalisée sous atmosphère sèche ou humide. 4. Procédé selon l'une des revendications 30 1 à 3, le substrat semi-conducteur sélectionné 20 25comportant une rugosité HF comprise entre 5 et 10 nm RMS. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, le substrat semi-conducteur sélectionné comportant une rugosité BF comprise entre 2 et 10 nm RMS. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, le substrat semi-conducteur de rugosité R1 étant obtenu par fracture d'un substrat (6) initial. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, le deuxième substrat étant un substrat semi- conducteur brut ou bulk (34). 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, le deuxième substrat (44) étant lui-même obtenu par un procédé selon l'une des revendications 1 à 6. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, l'un des deux substrats étant ensuite aminci, par exemple par une technique mécanique, et/ou chimique, et/ou par fracture du substrat. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, au moins une portion de l'oxyde formé dans le premier ou dans le deuxième substrat semi-conducteur étant éliminée. 25 30 11. Procédé selon la revendication 10, l'élimination d'une portion de l'oxyde étant réalisée par gravure à travers au moins un orifice (111, 113) réalisé dans un des deux substrats.5