Brevet FR2928775A1 — publié le 20090918

PROCEDE DE FABRICATION D'UN SUBSTRAT DE TYPE SEMICONDUCTEUR SUR ISOLANT DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un substrat de type Semiconducteur sur Isolant. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION L'invention se place dans le contexte général de la fabrication d'un substrat de 10 type Semiconducteur sur Isolant (SeOl) par le procédé SmartCutTM, et du recyclage du reliquat substrat donneur. Le procédé SmartCutTM est décrit de manière détaillée par exemple dans le brevet US 5,374,564. Ce procédé permet de transférer une couche d'un substrat donneur vers un substrat receveur. En référence à la figure 1, on rappellera qu'il 15 comprend les étapes de : 1) Oxydation du substrat donneur 10 ou du substrat receveur 30 pour former une couche d'oxyde 20 ; 2) Implantation d'ions dans le substrat donneur 10 pour former une zone de fragilisation 12 ; 20 3) Collage du substrat donneur 10 sur le substrat receveur 30, la couche d'oxyde 20 étant située à l'interface ; 4) Fracture du substrat donneur 10 selon la zone de fragilisation 12 et transfert d'une couche 11 du substrat donneur 10 vers le substrat receveur 30 ; 5) Traitement de finition du SOI 1 ainsi formé. 25 Il est avantageux de recycler le reliquat 13 du substrat donneur pour l'utiliser lors d'une nouvelle mise en oeuvre du procédé SmartCutTM ; après polissage, ce reliquat peut être réutilisé en tant que substrat donneur : on parle alors, selon la terminologie anglo-saxonne, de recyclage � top for top �, ou bien en tant que substrat receveur : on parle alors de recyclage � top for base �. Le recyclage comprend notamment un polissage d'au moins une des faces du substrat pour retirer la matière endommagée par l'implantation et la fracture. L'épaisseur retirée peut être de quelques microns. On précise que l'invention se place dans le deuxième cas, à savoir un recyclage du reliquat du substrat donneur en substrat receveur. Eventuellement, le substrat donneur n'est pas � neuf � : il peut en effet avoir été utilisé préalablement en tant que substrat donneur et recyclé en substrat donneur, mais un nombre limité de fois de sorte qu'il n'est pas trop endommagé. En effet, lorsque l'on recycle le reliquat du substrat donneur pour en faire un nouveau substrat donneur, la succession des cycles de SmartCutTM, qui impliquent des traitements thermiques à des températures moyennes (i.e. inférieures à 1000°C) ou faibles (inférieures à 600°C), notamment lors de l'oxydation et de la fracture, génère des défauts dans celui-ci, ce qui peut limiter son utilisation. En revanche, le recyclage du reliquat du substrat donneur en substrat receveur permet de ne faire subir au substrat que deux cycles de SmartCutTM, le premier en tant que substrat donneur et le second en tant que substrat receveur recyclé. Ce mode de recyclage permet donc de limiter le nombre de traitements thermiques subis par le substrat et par conséquent de minimiser sa dégradation. Toutefois, même dans ce cas, le substrat recyclé peut présenter, en raison des traitements thermiques qu'il a subis pendant la mise en oeuvre du procédé SmartCutTM, et en fonction de ses propriétés initiales, des défauts plus denses et/ou plus gros que ceux du substrat donneur initial. Ces défauts sont répartis dans le volume du matériau et ne se répercutent pas nécessairement sur la surface. Le substrat recyclé peut donc être de moins bonne qualité que le substrat donneur initial. Ces défauts sont qualifiés, selon la terminologie anglo-saxonne, de � Bulk Micro Defects � (BMD). Ces défauts correspondent typiquement à des précipités d'oxygène au sein du substrat. La formation de ces précipités est induite par les traitements thermiques subis par le substrat et dépend également des propriétés initiales du matériau. Plus précisément, on considère que la densité de défauts BMD est liée à la rampe de température appliquée, tandis que la taille moyenne de ces défauts est liée à la température maximale du traitement. Or, en fonction de l'utilisation prévue du SeOI ainsi formé, les fabricants de composants électroniques définissent des spécifications imposant une valeur maximale pour la densité de défauts BMD et/ou une valeur maximale pour la taille de ces défauts. Un premier but de l'invention est donc d'améliorer la qualité du substrat recyclé. Un deuxième but de l'invention est de permettre l'obtention d'un substrat recyclé de l'épaisseur voulue à l'issue du polissage qui peut retirer une épaisseur conséquente de matière. Par ailleurs, l'invention a également pour but d'optimiser la qualité du SeOI issu du premier cycle de SmartCutTM BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION Conformément à l'invention, il est proposé un procédé de fabrication d'un substrat de type semiconducteur sur isolant, comprenant les étapes de : - formation d'une couche d'oxyde sur un substrat donneur ou un substrat receveur, - implantation d'espèces atomiques dans le substrat donneur de manière à former une zone de fragilisation, - collage du substrat donneur sur le substrat receveur, la couche d'oxyde étant à l'interface de collage, - fracture du substrat donneur selon la zone de fragilisation et transfert d'une couche du substrat donneur vers le substrat receveur, - recyclage du reliquat du substrat donneur pour former un substrat receveur utilisé pour la fabrication d'un deuxième substrat de type silicium sur isolant. Ce procédé est caractérisé en ce qu'avant l'étape d'oxydation, on forme par épitaxie une couche de matériau semiconducteur sur le substrat donneur, en ce que lors de l'étape d'implantation on forme la zone de fragilisation dans ladite couche épitaxiée, de sorte que la couche transférée est une couche de matériau semiconducteur épitaxié, et en ce que l'on choisit un substrat donneur comprenant des précipités d'oxygène dont la densité est inférieure à 1010 /cm2 et/ou la taille moyenne est inférieure à 500 nm. 3o De manière particulièrement avantageuse, avant l'épitaxie, on effectue un traitement thermique du substrat donneur. L'épaisseur de la couche de silicium épitaxié est de préférence comprise entre 0,5 et 8 pm. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, le substrat donneur comprend 2 à 40 ppm d'oxygène dilué. Selon une variante, le substrat donneur comprend des atomes d'azote, dont la densité est de préférence inférieure à 1015 atomes/cm3. Le substrat donneur peut également comprendre en face arrière une couche de silicium polycristallin et/ou une couche d'oxyde. Le recyclage du reliquat du substrat donneur comprend un polissage des deux faces dudit reliquat et/ou du bord latéral, ou bien un polissage mécano-chimique de la face dudit reliquat correspondant à la zone de fragilisation. L'invention concerne également un procédé de recyclage du reliquat du substrat donneur à l'issue de la fabrication d'un premier substrat de type semiconducteur sur isolant par le procédé SmartCutTM, le substrat recyclé étant utilisé comme substrat receveur lors de la fabrication d'un deuxième substrat de type semiconducteur sur isolant. Ce procédé est caractérisé en ce que lors de la fabrication du premier substrat SeOI : - on choisit un substrat donneur comprenant des précipités d'oxygène dont la densité est inférieure à 1010 /cm2 et/ou la taille moyenne est inférieure à 500 nm, - on forme par épitaxie une couche de matériau semiconducteur sur le substrat donneur, -lors de l'étape d'implantation on forme la zone de fragilisation dans ladite couche épitaxiée. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre les différentes étapes du procédé SmartCutTM - la figure 2 est un logigramme illustrant les différentes étapes du procédé conforme à l'invention, - les figures 3A à 3F représentent de manière schématique la formation d'un SeOI et le recyclage du substrat donneur conformément à l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence au logigramme de la figure 2, le procédé comprend les étapes suivantes, qui seront détaillées plus bas : 100) de manière optionnelle, recuit du substrat donneur 10 ; 101) croissance par épitaxie d'une couche 14 en matériau semiconducteur sur le substrat donneur 10 ; 102) formation d'une couche d'oxyde 20 sur le substrat donneur 10 ou le substrat receveur 30 103) implantation d'espèces atomiques dans la couche épitaxiée 14 ; 104) collage du substrat donneur 10 sur le substrat receveur 30 ; 105) fracture du substrat donneur et transfert d'une couche 140 du substrat donneur 10, 14 vers le substrat receveur 30 ; 106) finition du premier SOI 1 ainsi formé ; 107) polissage du reliquat 2 du substrat donneur et obtention d'un substrat recyclé 40 ; 108) deuxième cycle de SmartCutTM : reprise des étapes 100) à 107) avec un 20 nouveau substrat donneur 50 et en employant comme substrat receveur le substrat recyclé 40. Etape 100 - Recuit Cette étape est optionnelle. Elle comprend l'application d'un recuit au substrat donneur 10. 25 L'effet de ce recuit est d'améliorer la qualité d'une couche superficielle du substrat donneur, permettant ainsi d'augmenter l'épaisseur de silicium de bonne qualité et de favoriser la croissance d'une couche épitaxiée de bonne qualité. Les conditions de ce recuit sont typiquement une température comprise entre 1000°C et 1360°C et une durée de l'ordre de 30 secondes à 30 minutes. L'épaisseur 30 de la couche superficielle du substrat donneur dont la qualité est améliorée peut atteindre quelques microns. Etape 101 û Epitaxie En référence à la figure 3A, on effectue sur le substrat donneur 10 une épitaxie pour faire croître une couche 14 d'un matériau semiconducteur dont l'épaisseur est comprise entre 0,5 et 8 microns, de préférence entre 2 et 5 microns. Le matériau de la couche épitaxiée 14 est par exemple du silicium, du germanium, ou un composé SiGe. Eventuellement, la couche 14 n'est pas composée d'un unique matériau, mais peut être constituée d'une superposition de deux ou plusieurs couches de matériaux semiconducteurs. Dans la suite du texte, on prendra comme exemple une couche 14 en silicium, mais l'invention s'applique aux autres possibilités qui viennent d'être mentionnées. Par épitaxie, on entend toute technique permettant de faire croître du silicium monocristallin, telle que l'épitaxie de type dépôt chimique en phase vapeur (CVD), l'épitaxie à basse pression de type LPCVD, l'épitaxie par jets moléculaires (EJM), l'épitaxie en phase vapeur aux organo-métalliques (EPVOM)... De manière optionnelle, la couche épitaxiée 14 peut être faiblement ou fortement dopée P ou N ou présenter une jonction P/N, par exemple une partie supérieure dopée N et une partie inférieure dopée P. Etape 102 û Oxydation L'oxydation peut être effectuée sur le substrat donneur 10, 14 ou sur le substrat receveur 30. Il peut s'agir d'une oxydation thermique ou du dépôt d'un oxyde. L'oxydation génère une couche d'oxyde sur toute la surface du substrat, c'est-à-dire la face avant, la face arrière et les faces latérales. De manière préférée, comme illustré à la figure 3B, la couche d'oxyde 20 est formée sur le substrat donneur 10 recouvert de la couche épitaxiée 14, ce qui permet d'éloigner l'interface de collage de la couche active du SeOl. Etape 103 û Implantation En référence à la figure 3C, l'implantation d'espèces atomiques est effectuée dans l'épaisseur de la couche épitaxiée 14. La zone de fragilisation 12 ainsi formée est donc dans l'épaisseur de cette couche. Ainsi, la couche 140 qui sera transférée est constituée de silicium épitaxié, dont la qualité cristalline est très bonne. On obtiendra donc un SeOI de très bonne qualité. Par ailleurs, le reliquat 2 du substrat donneur comprendra, après la fracture, une couche résiduelle 141 de silicium épitaxié. Etape 104 ù Collage Le substrat donneur 10, 14 et le substrat receveur 30 sont collés par exemple par adhésion moléculaire, la couche d'oxyde 20 étant à l'interface entre les deux substrats. Cette étape est illustrée à la figure 3D. Un recuit peut être appliqué de manière à renforcer l'énergie de collage. Etape 105 ù Fracture La fracture du substrat donneur 10 et de la couche épitaxiée 14 selon la zone de fragilisation 12 est amorcée par l'application d'un traitement thermique et/ou une force mécanique. En référence à la figure 3E, une couche 140 de silicium épitaxié est alors transférée sur le substrat receveur 30, tandis que le reliquat du substrat donneur est détaché du SOI ainsi formé. On rappelle que la zone de fragilisation ayant été formée dans l'épaisseur de la couche épitaxiée 14, la couche 140 transférée est constituée du silicium épitaxié, tandis que le reliquat 2 du substrat donneur comprend le substrat donneur 10 initial recouvert d'une couche 141 résiduelle de silicium épitaxié. Par ailleurs, une couronne périphérique n'est pas transférée, ce qui se traduit par une marche en saillie à la périphérie du reliquat. Etape 106 ù Finition du premier SeOI Le premier SeOI 1 obtenu subit alors des étapes de finition destinées à le rendre propre à l'utilisation prévue. Ces traitements sont typiquement des recuits rapides, connus sous l'acronyme RTA (Rapid Thermal Anneal) ou des recuits longs à haute température (de l'ordre de 1200°C). Le SeOI 1 ainsi obtenu présente une couche active 140 formée par épitaxie, donc de très bonne qualité cristalline. Etape 107 ù Recyclaqe du reliquat du substrat donneur Le recyclage vise à éliminer du reliquat 2 les zones endommagées par l'implantation et la fracture ou les zones résiduelles comme la marche évoquée plus haut, et à l'amener à l'épaisseur souhaitée pour en faire un substrat receveur 40. Le recyclage peut être effectué selon différentes techniques, qui peuvent éventuellement être combinées. Selon une première possibilité, on effectue un polissage double face, qui peut être effectué simultanément sur les deux faces (désigné par l'acronyme � DSP � du terme anglo-saxon � double side polish �) ou séquentiellement c'est-à-dire d'abord sur l'une puis sur l'autre des deux faces (désigné par l'acronyme � SDSP � ou � sequential DSP �). Selon un deuxième mode de réalisation, on effectue un polissage uniquement de la face correspondant à la zone de fragilisation ; on met en oeuvre à cet effet un 10 polissage mécano-chimique, connu sous l'acronyme CMP. D'autres variantes consistent à effectuer un polissage de type � edge-polish � et/ou des gravures. Le polissage dit � edge-polish � est un polissage par CMP du chanfrein ou des deux chanfreins (supérieur et inférieur) que tout substrat présente sur sa périphérie et/ou de la tranche du substrat, c'est-à-dire son bord. 15 Dans tous les cas, l'étape de recyclage conduit à retirer une épaisseur significative du reliquat 2, typiquement de l'ordre de quelques centaines de nanomètres ou quelques microns. Le fait que le reliquat 2 comprenne une partie de l'épaisseur de la couche épitaxiée 14 augmente son épaisseur par rapport à celle du substrat donneur initial ; 20 cette épaisseur supplémentaire constitue une réserve supplémentaire de matériau qui compense la consommation du matériau lors du polissage. L'épaisseur résiduelle de silicium épitaxié peut être consommée en tout ou partie lors du recyclage comportant le polissage. Ce dernier cas est illustré à la figure 3F, où le substrat recyclé 40 présente en surface une fine couche résiduelle 142 de 25 silicium épitaxié. Etape 108 ù Deuxième cycle de SmartCutTM Le deuxième cycle de SmartCutTM est mis en oeuvre comme dans les étapes 100) à 107) décrites précédemment, en employant à cet effet un nouveau substrat donneur et en utilisant, comme substrat receveur, le substrat recyclé 40. 30 On remarquera que si c'est le substrat donneur qui subit l'oxydation, alors le substrat recyclé ne subit pas d'oxydation lors du deuxième cycle de SmartCutTM Si en revanche c'est le substrat receveur qui subit l'oxydation, alors le substrat recyclé subit l'oxydation lors du deuxième cycle de SmartCutTM mais ne l'a pas subie au cours de l'étape 102) du premier cycle. En d'autres termes, le substrat recyclé n'est soumis qu'à une seule oxydation, soit en tant que substrat donneur initial, soit en tant que substrat receveur recyclé. On peut ainsi limiter les traitements thermiques, ce qui ne serait pas le cas pour un recyclage de type � top for top �, où le substrat recyclé subirait deux oxydations : la première en tant que substrat donneur initial, la deuxième en tant que substrat donneur recyclé. Dans le cas où il subsiste sur le substrat recyclé 40 une épaisseur 142 de silicium épitaxié, c'est la face présentant le silicium épitaxié qui se trouve à l'interface de collage avec le nouveau substrat donneur lors du deuxième cycle de SmartCutTM Ainsi, le deuxième SeOI obtenu présente une couche de silicium de très bonne qualité sous la couche d'oxyde. Une telle configuration est particulièrement avantageuse lorsque l'on fabrique des SOI avec une couche d'oxyde ultra-mince (i.e. d'épaisseur inférieure à 50nm). De tels SeOI sont connus dans le langage du métier sous la dénomination anglo-saxonne de � UT-BOX � (Ultra Thin Buried Oxide). L'épaisseur de silicium épitaxié lors de l'étape 101) résulte donc d'un compromis entre la qualité de surface souhaitée du substrat recyclé (i.e. l'épaisseur de silicium de très bonne qualité souhaitée à la surface du substrat recyclé), l'épaisseur finale du substrat recyclé et les coûts de fabrication de cette couche épitaxiée. Une alternative pour réduire l'épaisseur épitaxiée à l'étape 101) et économiser le silicium épitaxié consommé pendant le polissage consiste à ne former par épitaxie qu'une couche d'une épaisseur sensiblement égale à celle de la couche à transférer sur le substrat donneur pour former le premier SeOl, à polir le reliquat du substrat donneur puis à faire croître par épitaxie à la surface de celui-ci une couche de silicium de l'épaisseur nécessaire pour son utilisation en tant que substrat recyclé. Par ailleurs, on peut ajuster l'épaisseur du substrat recyclé en apportant, sur la face arrière du substrat donneur initial (i.e. la face opposée à la face sur laquelle on fait croître par épitaxie la couche de silicium), une couche de silicium polycristallin. L'épaisseur de cette couche est typiquement de l'ordre de 1 à 2 microns. Cette couche est consommée lors d'un polissage double-face, permettant de conserver une épaisseur plus importante du reliquat du substrat donneur. De manière alternative, le substrat donneur initial peut comporter, sur sa face arrière, une couche d'oxyde déposée par CVD (dépôt chimique en phase vapeur). Cette couche d'oxyde permet de protéger la face arrière du substrat ou, le cas échéant, la couche de silicium polycristallin. Elle permet également de conserver une épaisseur plus importante du substrat donneur initial. Qualité du substrat donneur initial Le substrat donneur initial est par ailleurs avantageusement choisi de manière à avoir une densité et/ou une taille moyenne de défauts BMD inférieure à une limite donnée. Typiquement, la densité des défauts est inférieure à 1010/cm2, de préférence comprise entre105 et 1010 /cm2, voire entre 10' et 5.109/cm2, tandis que la taille moyenne des défauts est inférieure à 500 nm. Ainsi, même si des défauts de type BMD se forment dans le substrat donneur pendant les deux phases du procédé (les 2 stades de la vie du substrat donneur, i.e. substrat donneur puis substrat receveur recyclé), ils peuvent être compensés par une meilleure qualité initiale. En particulier, la qualité de surface finale est indépendante des BMD grâce à la couche épitaxiée qui n'en contient pas. Le substrat donneur initial peut comporter de l'oxygène sous forme diluée (c'est-à-dire non précipitée), avec une teneur comprise entre 2 et 40 ppm, ce qui correspond environ à 1017 et 2.1018 atomes/cm3 selon le calcul de conversion appliqué. De manière optionnelle, le substrat donneur initial peut par ailleurs contenir des atomes d'azote û typiquement, avec une densité inférieure à 1015 atomes/cm3. Ces atomes d'azote ont pour effet de provoquer la précipitation de l'oxygène sous forme de BMD plus petits et plus nombreux. Les atomes sont incorporés dans le matériau du substrat donneur en phase solide ou gazeuse lors de la croissance du lingot. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un substrat (1) de type semiconducteur sur isolant, comprenant les étapes de : - formation d'une couche (20) d'oxyde sur un substrat donneur (10) ou un substrat receveur (30), - implantation d'espèces atomiques dans le substrat donneur de manière à former une zone de fragilisation (12), - collage du substrat donneur sur le substrat receveur (30), la couche d'oxyde (20) étant à l'interface de collage, -fracture du substrat donneur selon la zone de fragilisation (12) et transfert d'une couche du substrat donneur vers le substrat receveur (30), - recyclage du reliquat (2) du substrat donneur pour former un substrat receveur (40) utilisé pour la fabrication d'un deuxième substrat de type silicium sur isolant, caractérisé en ce qu'avant l'étape d'oxydation, on forme par épitaxie une couche (14) de matériau semiconducteur sur le substrat donneur (10), en ce que lors de l'étape d'implantation on forme la zone de fragilisation (12) dans ladite couche (14) épitaxiée, de sorte que la couche transférée est une couche (140) de matériau semiconducteur épitaxié, et en ce que l'on choisit un substrat donneur (10) comprenant des précipités d'oxygène dont la densité est inférieure à 1010 /cm2 et/ou la taille moyenne est inférieure à 500 nm. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'avant l'épitaxie, on effectue un traitement thermique du substrat donneur (10). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche (14) de silicium épitaxié est comprise entre 0,5 et 8 pm. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le substrat donneur (10) comprend 2 à 40 ppm d'oxygène dilué. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le substrat donneur (10) comprend des atomes d'azote. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la densité en atomes d'azote est inférieure à 1015 atomes/cm3. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le substrat donneur (10) comprend en face arrière une couche de silicium polycristallin 10 et/ou une couche d'oxyde. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le recyclage du reliquat (2) du substrat donneur comprend un polissage des deux faces dudit reliquat et/ou du bord latéral. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le recyclage du reliquat (2) du substrat donneur comprend un polissage mécano-chimique de la face dudit reliquat correspondant à la zone de fragilisation (12). 20 10. Procédé de recyclage du reliquat du substrat donneur à l'issue de la fabrication d'un premier substrat de type semiconducteur sur isolant par le procédé SmartCutTM, le substrat recyclé étant utilisé comme substrat receveur lors de la fabrication d'un deuxième substrat de type semiconducteur sur isolant, caractérisé en ce que lors de la fabrication du premier substrat SeOI : 25 - on choisit un substrat donneur (10) comprenant des précipités d'oxygène dont la densité est inférieure à 1010 /cm2 et/ou la taille moyenne est inférieure à 500 nm, - on forme par épitaxie une couche (14) de matériau semiconducteur sur le substrat donneur (10), - lors de l'étape d'implantation on forme la zone de fragilisation (12) dans ladite 30 couche épitaxiée (14). 15