Brevet FR2934925A1 — publié le 20100212

i L'invention concerne un procédé de fabrication d'une structure destinée à des applications dans les domaines de l'électronique, de l'optique ou de l'optoélectronique, qui comprend une couche mince de matériau semi-conducteur sur un substrat. Préférentiellement, ce procédé est du type comportant les étapes de : a) création d'une zone de fragilisation dans l'épaisseur d'un substrat donneur ; b) collage du substrat donneur avec un substrat support ; c) détachement du substrat donneur, par exemple par détachement au niveau de la zone de fragilisation ou encore par gravure et/ou meulage, pour transférer une partie du substrat donneur sur le substrat support et former la couche mince sur celui-ci ; d) traitement thermique de la structure comprenant la couche 15 mince sur le substrat support pour stabiliser l'interface de collage entre la couche mince et le substrat support. Mais ce procédé peut également être du genre dans lequel : - on se dispense de mettre en oeuvre l'étape a) ; - en lieu et place de l'étape c), on amincit le substrat donneur 20 par gravure et/ou meulage, pour transférer une partie du substrat donneur sur le substrat support et former la couche mince sur celui-ci. Des procédés du type mentionné ci-dessus sont déjà connus ; il s'agit par exemple des procédés de type Smart Cut (marque déposée). On trouvera de plus amples détails concernant le procédé Smart Cut dans 25 le document Silicon-On-Insulator Technology : Materials to VLSI, 2nd Edition de Jean-Pierre Colinge chez Kluwer Academic Publishers, p.50 et 51. De tels procédés permettent de réaliser de manière avantageuse des structures comprenant une couche mince de matériau 30 semi-conducteur sur un substrat support, et notamment des structures de type SOI (acronyme anglo-saxon de Semiconductor On Insulator, pour Semi-conducteur sur Isolant), dans lesquelles une couche isolante est intercalée entre la couche mince et le substrat support. Les structures obtenues par de tels procédés sont utilisées pour des applications dans les domaines de la microélectronique, de l'optique et/ou de l'optoélectronique, la couche mince servant typiquement de couche active pour la formation de composants. Une stabilisation de l'interface de collage entre la couche mince et le substrat support s'avère nécessaire pour que la structure obtenue après détachement présente des propriétés mécaniques et électriques conformes aux exigences et spécifications des domaines d'application de l'invention. Il s'agit notamment d'assurer une forte adhérence de la couche mince et du substrat support. En l'absence d'une telle adhérence, il existe un risque que les étapes ultérieures de formation de composants électroniques conduisent à une délamination de la couche mince au niveau de l'interface de collage. On note à ce propos qu'en l'absence d'un traitement visant au moins à renforcer l'interface de collage, l'immersion dans un bain, tel qu'un bain de HF par exemple, directement après détachement, d'une structure formée suivant un procédé de type Smart Cut, conduit au décollement de la couche mince en périphérie de la structure, sur une étendue radiale de plusieurs microns, voire même au décollement total de la couche mince. Par ailleurs, la qualité du collage au niveau de l'interface de collage est susceptible de modifier le comportement des porteurs dans la couche mince. Afin d'assurer des performances électriques satisfaisantes et reproductibles, il est donc nécessaire que l'interface de collage soit stabilisée. Des solutions partielles au problème de la stabilisation de l'interface de collage ont été proposées. Celles-ci préconisent de réaliser un collage fort entre le substrat donneur et le substrat support, typiquement en réalisant un apport d'énergie thermique entre les étapes de collage et de détachement, ou encore en réalisant avant l'étape de collage un traitement de préparation de l'une et/ou l'autre des surfaces à coller. Mais ces traitements de � pré stabilisation � ne permettent généralement pas d'obtenir une interface de qualité suffisante, en termes de tenue mécanique et/ou de performance électrique. Afin de réaliser une véritable stabilisation de l'interface de collage entre la couche mince et le substrat support, on réalise typiquement 3 aujourd'hui un traitement thermique de la structure obtenue après détachement et transfert de la couche mince du substrat donneur vers le substrat support. Ce traitement est plus précisément un recuit en four de la structure obtenue après détachement, à une température de l'ordre de 1000 à 1200°C, pendant une à deux heures, suivant la nature des matériaux de la structure (nature de la couche supérieure, du substrat support et de l'isolant). On le qualifie de recuit de stabilisation. Les imperfections éventuellement présentes au niveau de l'interface de collage sont visibles sur des photographies d'échantillon de la tranche d'une structure, prises par microcopie à transmission électronique, éventuellement après un traitement visant à rendre mieux visible ces imperfections, comme cela est détaillé dans FR2903809. En effet, on y identifie des zones claires, qui correspondent à 15 des espaces "ouverts", c'est à dire des distances entre atomes, plus grandes que la normale. En tout état de cause, l'application d'une température de l'ordre de 1000°C à 1200°C pour parfaire l'interface de collage présente un certain nombre de contraintes. 20 Ainsi, notamment sur le plan industriel, sa mise en oeuvre nécessite de devoir recourir à des fours non conventionnels. De plus, en fonction de la structure sur laquelle le collage est effectué, l'application d'une température aussi élevée peut l'endommager. C'est le cas lorsque les matériaux de la couche supérieure et du substrat 25 support présentent des coefficients de dilatation thermique différents. C'est également le cas lorsqu'un des matériaux ne peut être exposé à une température trop importante, comme par exemple le germanium, dont la température de fusion est de l'ordre de 900°C. La présente invention vise donc à résoudre ce problème en 30 proposant un procédé du genre évoqué ci-dessus, qui permet d'obtenir une parfaite interface de collage, sans avoir besoin de recourir à des températures aussi élevées de recuit de stabilisation. Ainsi, elle se rapporte à un procédé de fabrication d'une structure destinée notamment à des applications dans les domaines de 35 l'électronique, de l'optique ou de l'optoélectronique, qui comprend une couche mince de matériau semi-conducteur sur un substrat support, selon lequel : a) on colle ladite couche mince sur ledit substrat support par adhésion moléculaire ; b) on traite thermiquement ladite structure ainsi obtenue pour stabiliser l'interface de collage, caractérisé par le fait que préalablement à l'étape b), on procède à une implantation d'ions au niveau de ladite interface, de manière à transférer des atomes de la couche mince vers le substrat support, et /ou du substrat support vers la couche mince. Par ce traitement, on procède en quelque sorte, grâce à l'implantation d'ions, à un "endommagement" de la région de l'interface et à un réarrangement des atomes. Ceci se traduit par un meilleur collage de l'interface, qui 15 requiert des températures moindres de recuit de stabilisation. Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de ce procédé : - préalablement à l'étape a), on crée une zone de fragilisation dans l'épaisseur d'un substrat donneur de matériau semi-conducteur, de 20 manière à délimiter, à sa surface, une couche mince, et, aussitôt après cette étape, on détache le substrat donneur au niveau de ladite ligne de fragilisation, pour individualiser ladite couche mince ; - à l'étape a), on colle un substrat donneur dans lequel est intégrée ladite couche mince, sur ledit substrat support, et on amincit ce 25 substrat donneur, notamment par gravure et/ou meulage, jusqu'à l'obtention de ladite couche mince ; - ladite couche mince et ledit substrat support comportent un épaisseur d'oxyde de surface, de sorte que ladite interface de collage est de type oxyde sur oxyde ; 30 - le procédé comprend en outre au moins une étape d'amincissement de ladite couche mince, et on procède à l'implantation d'ions après cet amincissement ; - on procède audit amincissement par oxydation de la surface libre de ladite couche mince et enlèvement de l'oxyde ainsi formé ; 35 - on procède à une implantation d'ions en faisant usage d'une énergie dont la valeur est dépendante de l'épaisseur de ladite couche mince, de manière à ce que la majeure partie des ions implantés le soient dans la région de l'interface ; - on implante des ions d'au moins une espèce atomique présente au niveau de l'interface ; - on implante des ions d'au moins deux espèces atomiques, et les doses d'ions de chaque espèce implantée respectent sensiblement la stoechiométrie atomique présente au niveau de ladite interface ; - on procède à une co-implantation d'ions d'au moins deux espèces atomiques ; - on procède à des implantations séquentielles d'ions d'au moins deux espèces atomiques ; - on procède à ladite implantation à température ambiante ; - on procède à une implantation à une température de l'ordre de 300°C; 15 - ladite étape b) est réalisée à une température au plus égale à 1200°C; - lesdits couche mince et substrat support sont à base de silicium, de saphir, de nitrure de gallium, ou de germanium ; - lesdits couche mince et substrat support sont à base de 20 silicium, et on procède à une co-implantation d'ions silicium et oxygène, à une dose d'implantation comprise entre 1015at/cm2 et 1016at/cm2. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation préférentiel. Cette description sera donnée en référence au 25 dessin annexé où la figure 1 est une vue partielle en coupe d'une structure conforme à l'invention. On y a référencé 1 une couche mince, par exemple en silicium, pourvue d'une épaisseur d'oxyde, et par 3 un substrat support, par exemple également en silicium, avec une épaisseur d'oxyde. Les surfaces 30 oxydées de la couche 1 et du substrat support 3 sont mises en contact et sont collées l'une sur l'autre par adhésion moléculaire, au niveau d'une interface identifiée 2. Comme dit plus haut, la présente invention peut être vue comme un "mixing" de l'interface 2, au moyen d'une implantation d'ions, 35 pour endommager l'interface oxyde/oxyde dans le cas de ce mode de 5 10 6 réalisation, et réarranger les atomes dans cette région, de manière à assurer une parfaite cohésion entre les couches 1 et 3 de la structure. Les paramètres de cette implantation sont tout particulièrement : - la masse des ions ; - la dose d'ions ; - la température d'implantation (plus on augmente la température, plus on peut implanter une dose importante sans endommager le matériau traversé) ; - l'énergie d'implantation (influe principalement sur la profondeur d'implantation). De préférence, les ions implantés sont de même nature que ceux présents au niveau de l'interface. Après l'implantation, on effectue un recuit de stabilisation qui 15 permet de faire diffuser l'oxygène et guérir les défauts cristallins. A cet effet, une température de 800 ou 900°C peut suffire. On peut également envisager d'effectuer l'implantation, non pas à température ambiante mais à une température de 300°C environ, ce qui permet de limiter l'endommagement et de réduire la durée du recuit de 20 stabilisation. Ceci est particulièrement avantageux pour les structures dans lesquelles un des matériaux peut s'abimer s'il est soumis à une température trop importante. Au final, on obtient une couche d'oxyde relativement uniforme 25 dans laquelle on ne distingue plus l'interface, car la structure a été parfaitement reconstituée. Lors de l'implantation, on cherche à ne pas trop endommager le matériau (silicium) de part et d'autre de l'oxyde. En effet, l'implantation aura pour effet d'amorphiser le silicium, qui recristallisera lors du recuit de 30 stabilisation, mais en laissant subsister des défauts de type dits de "End of Range", c'est-à-dire de fin de parcours. On précise qu'en vue de l'implantation, l'épaisseur de la couche mince "de dessus" doit être assez mince pour pouvoir être traversée par les ions. Si l'on souhaite une couche "de dessus" épaisse, une solution 35 est de réaliser une épitaxie après l'implantation. Dans ce cas, l'endommagement du matériau est d'ailleurs moins critique. Dans le cas d'une couche intermédiaire en SiO2 et d'une coimplantation d'ions Si et d'ions oxygène, on préfèrera implanter les ions dans le même rapport stoechiométrique que le SiO2 présent au niveau de l'interface. L'énergie d'implantation sera déterminée pour que la distribution des ions se fasse principalement dans la région de l'interface. L'implantation peut être mise en oeuvre juste après la formation de la couche mince. Toutefois, quand celle-ci est amincie par oxydation successive de sa surface libre et enlèvement de l'oxyde ainsi formé afin de former une couche ultra mince, alors l'implantation peut être réalisée après le dernier cycle d'oxydation / enlèvement de l'oxyde. Exemple 1 : Implantation d'ions Si On utilise une structure SOI (de type Si/SiO2/Si) obtenue selon le procédé Smart CutTM, pour laquelle l'interface de collage a été formée par la mise en contact de l'oxyde de silicium présent du coté de la couche mince de dessus et du coté du support. L'épaisseur totale de la couche d'oxyde est de 10 nm, tandis que celle de la couche mince de dessus est de 300 à 400 nm. L'implantation d'ions Si a lieu juste après le détachement qui a 20 lieu au cours du procédé Smart CutTM de la couche mince. On procède à une implantation d'ions Si à une énergie de 300 keV, à température ambiante et à une dose de 1015at/cm2, ce qui conduit à un début d'amorphisation autour de la profondeur de l'ordre de 340 mm. Cela doit suffire, d'après la littérature, à réaliser un "mixage" efficace. 25 Cette implantation non amorphisante est suivie par des étapes classiques de finition, notamment par un recuit à une température en dessous de 1 200 °C, par exemple compris entre 800°C et 900°C. Une augmentation de la dose d'ions pour atteindre 3x1015at/cm2 conduit à la création d'une couche de silicium enterrée 30 amorphe, centrée autour de la couche fine d'oxyde enterrée. Durant les traitements thermiques subséquents et les étapes d'amincissement de la couche supérieure, cette couche amorphe pourra se recristalliser par épitaxie à phase solide (en abrégé SPE, pour "Solid Phase Epitaxy"). Les défauts � End of Range � dans la couche supérieure pourront être éliminés 35 lors de l'amincissement de la couche mince. Ceux disposés en dessous 2934925 s (c'est-à-dire dans le substrat support), qui subsisteront, constitueront eux-mêmes une couche de piégeage de défauts. Exemple 2 : co-implantation d'ions Si et O à température 5 ambiante et à dose réduite. Structure de type Si/SiO2/Saphir. Cette structure est réalisée de la manière suivante, un substrat SOI, présentant une couche supérieure de 300 à 400nm, un oxyde enterré de 100nm et substrat support en Si de l'ordre de 700 microns, est oxydé 10 pour former un oxyde de surface de 100nm. La couche supérieure oxydée de ce substrat est mise en contact avec un substrat de saphir et l'assemblage est recuit à faible température (pour cause de différence de coefficient de dilatation thermique qui ne permet pas d'exposer cet assemblage à une trop forte température), 15 de l'ordre de 300°C à 600°C. Le support de silicium ainsi que l'oxyde enterré du substrat SOI initial sont éliminés par des étapes successives de meulage et de gravure. On obtient alors au final la structure précitée de 20 Si/SiO2/Saphir. L'interface de collage dans ce cas est située entre la couche d'oxyde et le support de saphir. L'épaisseur de la couche d'oxyde est de 10 nm et celle de la couche mince de dessus est de 300 à 400 nm. Le support de saphir a une épaisseur de plusieurs centaines de microns 25 Des ions silicium et oxygène sont implantés séquentiellement. Implantation des ions Si sous une énergie de 300 keV environ. Implantation des ions O sous une énergie de 180 keV environ. La dose d'implantation totale doit être conservée en dessous de seuil d'amorphisation, qui est estimée à 2.1015at/cm2. 30 On utilise des doses respectives d'ions Si/O de l'ordre de 1/2 pour éviter des distorsions de la stoechiométrie de la couche d'oxyde. Les étapes "standards" de finition sont mises en oeuvre pour compléter le procédé, par exemple pour amincir la couche mince de dessus à son épaisseur finale désirée. 35 9 Exemple 3 : implantation d'ions Si, suivie d'une cristallisation épitaxiale induite par faisceau d'ions (IBIEC), à température élevée. Structure de type Si/SiO2/Si, similaire à celle de l'exemple 1. L'épaisseur de la couche d'oxyde est de 10 nm et celle de la couche mince, de 300 à 400 nm. L'implantation a lieu après détachement de la couche mince. Les ions Si sont implantés en premier lieu, sous une énergie de 300 keV, à une dose de 2x1016at/cm2. La température d'implantation est légèrement en dessous de 200°C. Cette implantation est estimée comme créant une amorphisation du Si dans la couche mince à une profondeur d'environ 100-150 mm. L'implantation d'oxygène est alors réalisée, avec une énergie d'environ 180 keV, à 400°C et à une dose de 4x1016at/cm2, et cela conduit à une IBIEC complète de la couche de Si amorphisé, afin de reformer une couche de qualité cristalline satisfaisante. Les étapes de finition standard peuvent être mise en oeuvre pour parfaire le procédé. On notera que la présente invention n'est pas limitée à un procédé dans lequel des collages mettent en oeuvre une ou deux couches de collage en oxyde de silicium. Elle est en particulier applicable quelle que soit la nature des matériaux présents au niveau de l'interface de collage. Il peut s'agir par exemple de matériaux amorphes comme du Si3N4 ou de matériaux cristallins. C'est le cas notamment lorsque la couche mince composée 25 uniquement d'un matériau cristallin est mis en contact direct avec le support, lui même cristallin ou poly cristallin. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une structure destinée notamment à des applications dans les domaines de l'électronique, de l'optique ou de l'optoélectronique, qui comprend une couche mince (1) de matériau semi-conducteur sur un substrat support (3), selon lequel : a) on colle ladite couche mince (1) sur ledit substrat support (3) par adhésion moléculaire ; b) on traite thermiquement ladite structure ainsi obtenue pour stabiliser l'interface (2) de collage, caractérisé par le fait que préalablement à l'étape b), on procède à une implantation d'ions au niveau de ladite interface (2), de manière à transférer des atomes de la couche mince (1) vers le substrat support (3), et /ou du substrat support (3) vers la couche mince (1). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, préalablement à l'étape a), on crée une zone de fragilisation dans l'épaisseur d'un substrat donneur de matériau semi-conducteur, de manière à délimiter, à sa surface, une couche mince (1), et en ce que, aussitôt après cette étape, on détache le substrat donneur au niveau de ladite ligne de fragilisation, pour individualiser ladite couche mince (1). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'à l'étape a), on colle un substrat donneur dans lequel est intégrée ladite couche mince (1), sur ledit substrat support (3), et en ce qu'on amincit ce substrat donneur, notamment par gravure et/ou meulage, jusqu'à l'obtention de ladite couche mince (1). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que ladite couche mince (1) et ledit substrat support (3) comportent une épaisseur d'oxyde de surface, de sorte que ladite interface de collage (2) est de type oxyde sur oxyde. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes qui comprend en outre au moins une étape d'amincissement de ladite couche mince (1), caractérisé par le fait que l'on procède à l'implantation d'ions après cet amincissement.Il 6. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que l'on procède audit amincissement par oxydation de la surface libre de ladite couche mince (1) et enlèvement de l'oxyde ainsi formé. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on procède à une implantation d'ions en faisant usage d'une énergie dont la valeur est dépendante de l'épaisseur de ladite couche mince, de manière à ce que la majeure partie des ions implantés le soient dans la région de l'interface (2). 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, 10 caractérisé par le fait qu'on implante des ions d'au moins une espèce atomique présente au niveau de l'interface (2). 9. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel on implante des ions d'au moins deux espèces atomiques, caractérisé par le fait que les doses d'ions de chaque espèce implantée respectent 15 sensiblement la stoechiométrie atomique présente au niveau de ladite interface (2). 10. Procédé selon l'une des revendications 8 et 9 dans lequel on implante des ions d'au moins deux espèces atomiques, caractérisé par le fait que l'on procède à une co-implantation. 20 11. Procédé selon l'une des revendications 8 et 9 dans lequel on implante des ions d'au moins deux espèces atomiques, caractérisé par le fait que l'on procède à des implantations séquentielles. 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on procède à ladite implantation à température 25 ambiante. 13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on procède à une implantation à une température de l'ordre de 300°C. 14. Procédé selon l'une des revendications précédentes, 30 caractérisé par le fait que ladite étape b) est réalisée à une température au plus égale à 1200°C. 15. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que lesdits couche mince (1) et substrat support (3) sont à base de silicium, de saphir, de nitrure de gallium, ou de germanium. 35 16. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel lesdits couche mince (1) et substrat support (3) sont à base de silicium,caractérisé par le fait que l'on procède à une co-implantation d'ions silicium et oxygène, à une dose d'implantation comprise entre 1015at/cm2 et 1016at/cm2.