Brevet FR2969816A1 — publié le 20120629

Domaine de l'invention Le domaine de la présente invention est celui des structures silicium sur verre (SiOG, Silicon On Glass en terminologie anglo-saxonne). Plus précisément, l'invention concerne un procédé amélioré pour réaliser une telle structure. Contexte de l'invention La technologie du silicium sur isolant (SOI) devient de plus en plus importante pour les transistors à film fin à haute performance, les cellules photovoltaïques, etc. Les galettes (« wafers » en terminologie anglo-saxonne) SOI se composent d'une fine couche de silicium sensiblement monocristallin (généralement moins d'un micron) sur un matériau isolant. Différentes structures et Différentes manières d'obtenir de tels wafers sont connues. Typiquement, les structures utilisées sont formées avec un film fin de silicium monocristallin de 0,01 à 2 um d'épaisseur collé à un autre wafer de silicium avec une couche d'isolant d'oxyde entre eux. En raison de son épaisseur plutôt importante, en particulier par rapport aux autres parties, une majeure partie du coût de ces structures est le coût du substrat en silicium qui supporte la couche d'oxyde, recouverte par la fine couche de silicium. Ainsi, pour faire baisser le coût des structures en SOI, l'utilisation d'un substrat support réalisé avec des 30 matériaux moins onéreux que le silicium a été tentée, en particulier le verre ou la vitrocéramique. Les structures en SOI utilisant de tels substrats à base de verre sont dénommées structures SiOG, comme déjà mentionné. Les procédés pour fournir une structure 35 SiOG sont par exemple décrits par le brevet US 7 176 528. Un tel procédé est représenté par la figure 1. Un substrat source 1, généralement réalisé en silicium, est oxydé et implanté avec des espèces ioniques 6 comme l'hydrogène. L'implantation conduit à la création d'une zone affaiblie enfouie 2. En outre, le substrat source 1 est collé à un substrat support à base de verre 3 et séparé ensuite en partageant le substrat source 1 à une profondeur correspondant à la profondeur de pénétration des espèces implantées 6 (la zone de séparation 2). De cette façon, une structure SiOG contenant le substrat support à base de verre d'origine 3 et une couche 4 provenant du substrat source 1, et un substrat délaminé résiduel qui fait partie du premier substrat source 1 sont produits. Cependant, ce n'est pas une simple affaire que de remplacer un substrat support en silicium traditionnel avec un substrat support à base de verre. Un problème potentiel avec le SiOG réside dans le fait que le substrat support à base de verre 3 contient du métal (en particulier des alcalins) et d'autres composants qui peuvent être nuisibles pour le silicium ou une autre couche de semi-conducteur 4. Par conséquent, une couche barrière peut être nécessaire entre le substrat support à base de verre 3 et la couche de silicium 4 dans le SiOG. Dans certains cas, cette couche barrière facilite le collage de la couche de silicium 4 avec le substrat support à base de verre 3 en rendant la surface de collage de la couche de silicium 4 hydrophile. A cet égard, une couche de SiO2 peut être utilisée pour obtenir des conditions de surface hydrophile entre le substrat support à base de verre 3 et la couche de silicium 4. Une couche de SiO2 native peut être formée sur le substrat source en silicium 1 lorsqu'il est exposé à 35 l'atmosphère avant le collage. De plus, le procédé de collage anodique produit la couche de SiO2 « in situ » entre le substrat source en silicium 1 et le substrat support à base de verre 3. Si nécessaire, une couche de SiO2 peut être déposée activement ou se développer sur le substrat source 1 avant le collage. Un autre type de couche barrière prévu par le procédé de collage anodique décrit dans le brevet US-7 176 528 est une couche modifiée de verre dans le substrat support à base de verre adjacent à la couche de silicium avec un niveau réduit d'ions. Le collage anodique retire les alcalins et les constituants de verre alcalino-terreux et les autres ions positifs modificateurs qui sont nuisibles pour le silicium d'une région d'environ 100 nm d'épaisseur dans la surface de verre attenante à l'interface de collage. Le verre diffère également concernant certaines autres propriétés physiques par rapport au support en silicium traditionnel, comme par exemple concernant la rigidité, et cette compatibilité limitée avec le silicium a un impact sur la texture de surface de la couche transférée 4 d'une structure SiOG. En effet, le partage du substrat source au niveau de la zone de séparation génère en particulier de nombreuses et profondes irrégularités de surface, comme représenté sur la figure 2. Ceci combine des plateaux 41 dont la surface présente des microrugosités 42, les plateaux étant encerclés par des puits 43 dénommés « canyons ». De telles irrégularités de surface doivent être supprimées et un polissage mécanico-chimique (CMP) est classiquement réalisé à cet effet. Cependant, un tel polissage est long et onéreux, en particulier si les plateaux présentent une haute densité de microrugosités 42. De plus, plus les canyons 43 sont profonds, plus la couche de matériau à retirer par le polissage est épaisse. On gaspille par conséquent une quantité importante de silicium de haute qualité. Selon la figure 3 qui représente le profil d'une section transversale, la bande à retirer peut avoir une épaisseur s'étendant sur 10 nm. Il y a par conséquent besoin d'une solution pour réduire l'épaisseur et la densité des canyons et pour limiter les microrugosités. Résumé de l'invention Le but de la présente invention est de proposer un procédé pour réaliser des structures SiOG de qualité améliorée dans lequel la surface de séparation entre la couche transférée sur le substrat support à base de verre et le reste du substrat source présente des irrégularités de surface réduites, en particulier, avec une diminution de la surface du plateau et une diminution du nombre et de la profondeur des canyons encerclant les plateaux. De plus, la présente invention a également pour but d'éviter le besoin d'un long polissage CMP, afin d'accélérer les procédés industriels, et d'économiser des matières premières. Pour ces buts, la présente invention propose un procédé de réduction des irrégularités à la surface d'une couche transférée à partir d'un substrat source sur un substrat support à base de verre, dans lequel ledit transfert comprend les étapes consistant à : (a) générer une zone d'affaiblissement dans le substrat source ; (b) mettre en contact le substrat source et le substrat support à base de verre ; (c) partager le substrat source au niveau de la zone d'affaiblissement ; caractérisé en ce que l'épaisseur du substrat à 35 base de verre est comprise entre 300 um et 600 um. Les caractéristiques préférées mais non limitatives de la présente invention sont les suivantes : l'épaisseur du substrat à base de verre est 5 comprise entre 300 pm et 500 pm ; l'épaisseur du substrat à base de verre est comprise entre 300 pm et moins de 500 pm ; l'épaisseur du substrat à base de verre est comprise entre 350 pm et 450 pm ; 10 le substrat source a une surface de collage et le substrat support à base de verre a une surface de collage, la couche à transférer du substrat source sur le substrat support à base de verre étant définie entre la surface de collage et la zone d'affaiblissement du 15 substrat source, et dans lequel l'étape (b) consiste à mettre en contact la surface de collage du substrat source et la surface de collage du substrat support à base de verre ; le substrat support à base de verre est 20 entièrement réalisé en verre ; au moins une couche superficielle est intercalée entre le substrat support à base de verre et la couche, la au moins une couche superficielle étant réalisée avec un matériau choisi parmi au moins l'un des 25 matériaux suivants : SiO2, SiNx ; la au moins une couche superficielle est une bicouche de SiNx/SiO2 ; la au moins une couche superficielle est formée sur le substrat support à base de verre ; 30 la au moins une couche superficielle est une tricouche de SiO2/SiNx/SiO2 formée sur le substrat donneur ; l'épaisseur de chaque couche superficielle est comprise entre 10 nm et 200 nm ; l'étape (a) est réalisée par la co-implantation successive d'ions d'hélium et d'ions d'hydrogène ; le substrat source est réalisé avec un matériau choisi parmi au moins l'un des matériaux suivants : Si, SIC, SiGe ; l'épaisseur de la couche transférée est comprise entre 0,01 pm et 2 pm. Brève description des dessins Les objets, caractéristiques et avantages ci-dessus de la présente invention, ainsi que les autres, ressortiront plus clairement dans la description détaillée suivante de son mode de réalisation illustratif, qui doit être lu conjointement avec les dessins d'accompagnement, dans lesquels : la figure 1 précédemment décrite représente les étapes d'un procédé connu pour réaliser des structures SiOG ; la figure 2 précédemment décrite représente les 20 irrégularités de surface susceptibles d'apparaître lors du partage d'un substrat source ; la figure 3 précédemment décrite est un profil de hauteur de surface d'un substrat source après le transfert de couche ; 25 les figures 4a-b sont des images de profilométrie optique comparant la surface des couches transférées selon un procédé connu, et selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 5 est un graphique comparant la 30 distribution de hauteur des points de la surface des couches transférées selon un procédé connu, et selon un mode de réalisation de l'invention ; les figures 6a-c sont des graphiques comparant trois paramètres statistiques de la surface des couches transférées selon un procédé connu et selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 7 est une section transversale d'une structure SiOG réalisée selon un mode de réalisation de 5 l'invention ; les figures 8a-c sont des graphiques comparant trois paramètres statistiques de la surface des couches transférées selon un procédé connu et selon un mode de réalisation de l'invention ; 10 les figures 9a-c sont des graphiques comparant trois paramètres statistiques de la surface des couches transférées selon cinq modes de réalisation préférés de l'invention. 15 Description détaillée d'un mode de réalisation préféré En référence aux dessins, on décrit maintenant un procédé selon un mode de réalisation possible de l'invention. Le verre est un matériau avec une rigidité 20 limitée, avec un module de Young d'environ 74 GPa. La plupart des métaux ont une rigidité supérieure et le silicium a par exemple, un module de Young variant de 130 GPa pour l'orientation cristallographique [100] et jusqu'à 189 GPa pour l'orientation [111]. 25 Les substrats support communément utilisés sont avantageusement complètement réalisés à partir de verre, et leur épaisseur est comprise entre 500 pm et 750 }gym selon leur application, alors que la couche monocristalline 4 transférée a une épaisseur variant 30 entre 0,01 }gym et 2 }gym. Le demandeur a découvert de manière surprenante que l'épaisseur du substrat support à base de verre 3 semble avoir un impact sur la densité et la profondeur des irrégularités de surface au niveau de la zone de 35 séparation 2 du substrat source 1. A cet égard, les figures 4a et 4b sont des images de profilométrie optique représentant la surface d'un substrat source en silicium 1 à partir duquel une couche de 0,35 }gym d'épaisseur 4 a été retirée et transférée sur un substrat support à base de verre 3, où le substrat support à base de verre a respectivement une épaisseur de 700 um et 500 um. Il s'agit d'une vue « négative » de la surface des couches transférées. La surface totale des plateaux 41 semble être moins importante lorsque le substrat support est plus fin. La taille de l'image est de 140 x 100 pm2. La distribution de hauteur des points de ces images de profilométrie a été ensuite étudiée et les résultats sont graphiquement représentés sur la figure 5. Comme on peut le voir, avec un substrat ayant une épaisseur de 700 um, les points réguliers (avec une hauteur nulle) ne sont pas les plus nombreux, contrairement aux points ayant une profondeur de presque 1 nm (étant donné que la profilométrie a été appliquée sur le substrat source « négatif », ces puits correspondent aux plateaux sur la couche transférée). Cependant, avec un substrat ayant une épaisseur de 500 um, les points réguliers deviennent les plus nombreux. Ces deux exemples suggèrent qu'un substrat à base de verre 3 avec une épaisseur de 500 um doit être préféré à un substrat à base de verre 3 avec une épaisseur de 700 }gym. On a réalisé des essais statistiques sur les images de profilométrie optique (640 x 480 pixels) réalisés sur cinq zones (une au centre, et quatre à 15 mm du bord) de la surface des substrats sources 1 de 200 mm de diamètre à partir desquels les couches fines 4 doivent être retirées et transférées sur des substrats en verre de plusieurs épaisseurs différentes. Ces essais confirment l'importance de l'épaisseur du substrat support à base de verre et déterminent une plage optimale. Ainsi, on doit prendre en compte trois 5 paramètres : un paramètre de RMS (moyenne quadratique) qui correspond à la hauteur moyenne (ou profondeur) par rapport au plan moyen d'une irrégularité de la surface ; 10 RAS un paramètre de dissymétrie qui peut être résumé sous la forme d'un coefficient d'asymétrie. Il montre 15 si, par exemple, les canyons sont plus nombreux que les pics et réciproquement ; Dissymétrie = s 20 un paramètre R3z qui mesure la différence entre le quatrième point « le plus haut » et le quatrième point « le plus bas » sur la surface (les trois plus hauts et les trois plus bas ne sont pas pris en compte pour éviter de mesurer les artefacts). 25 Les résultats de ces tests sont exposés pour les substrats à base de verre ayant une épaisseur de 500 }gym et 700 }gym dans les trois _- graphiques des figures 6a-c. Alors que les valeurs de RMS et R3z sont similaires quelle que soit 30 l'épaisseur du substrat à base de verre 3, les valeurs de dissymétrie sont significativement inférieures en valeur absolue dans le cas d'un substrat à base de verre 3 de 500 pm. Cela démontre que les canyons sont moins nombreux et/ou moins profonds lorsque le substrat est plus fin. Lorsque la fragilité du substrat à base de verre 3 augmente lorsqu'il devient plus fin, la plage d'épaisseur pour réduire efficacement les irrégularités de surface dans le cas d'un usage industriel est comprise entre 300 pm et 600 pm, de préférence entre 300 pm et 500 pm, en particulier entre 300 pm et moins de 500 pm, de manière encore plus préférée, en particulier, entre 350 pm et 450 pm. A cet égard, le procédé de réduction des irrégularités à la surface d'une couche 4 transférée d'un substrat source 1 sur un substrat support à base de verre 3 selon l'invention comprend les étapes consistant à : (a) générer une zone d'affaiblissement 2 dans le substrat source 1 ; (b) mettre en contact le substrat source 1 et le substrat support à base de verre 3, ladite étape consistant avantageusement à mettre en contact une surface de collage 10 du substrat source 1 et une surface de collage 30 du substrat support à base de verre 3, la couche 4 à transférer du substrat source 1 sur le substrat support à base de verre 3 étant définie entre la surface de collage 10 et la zone d'affaiblissement 2 ; (c) partager le substrat source 1 au niveau de la zone d'affaiblissement 2 ; le substrat à base de verre étant choisi pour avoir une épaisseur comprise entre 300 pm et 600 pm, de préférence entre 300 pm et 500 pm, en particulier entre 300 pm et moins de 500 pm, de manière encore plus préférée, en particulier, entre 350 pm et 450 pm. Couches de nitrure de silicium/oxyde de silicium De manière avantageuse, pour d'autres utilisations, au moins une couche superficielle 7 peut devoir être intercalée entre le substrat support à base de verre 3 et la couche 4, comme représenté sur la figure 7. De telles couches 7 peuvent être réalisées à partir d'un matériau choisi parmi au moins l'un des matériaux suivants : SiO2, SiNx. De manière plus avantageuse, il y a une couche 7a de SiO2, et une couche 7b de SiNx, de manière plus avantageuse une bicouche de SiNx/SiO2 (« NO ») est formée, et de manière encore plus avantageuse, une tricouche de SiO2/SiNx/SiO2 (« ONO ») est formée. Une telle structure ONO propose une densité optimale de pièges d'interface. L'impact de l'épaisseur du substrat à base de verre a également été étudié dans une telle configuration de structure silicium sur isolant. Le procédé de fabrication dans le cas d'une bicouche NO ou d'une tricouche ONO suit les étapes déjà expliquées, représentées sur la figure 1, les couches supplémentaires 7 étant déposées sur le substrat source avant la génération de la couche affaiblie 2 ou bien sur le substrat en verre avant l'étape de collage. Le contact de l'étape (b) est ainsi réalisé entre la surface du wafer source et les couches déposées 7. Ces couches 7 de SiO2 ou SiNx ont avantageusement une épaisseur comprise entre 10 et 200 nm. Comme dans les précédentes expériences, la profilométrie optique a été réalisée avec cinq points des quatre substrats sources « négatifs » 1 à partir desquels une couche 4 de 0,35 }gym d'épaisseur a été transférée pour réaliser quatre structures à couches, comme représenté sur la figure 7 (les couches de nitrure de silicium et d'oxyde de silicium ont la même épaisseur de 50 nm), le substrat à base de verre 3 ayant une épaisseur de 700 microns pour deux d'entre elles et de 500 pm pour les deux autres : dix points des mesures sont ainsi disponibles pour chaque épaisseur de verre. Les figures 8a-c représentent des diagrammes boites à moustaches des dix points pour les trois paramètres précédemment utilisés : RMS, la dissymétrie et Raz. On peut observer que dans ce cas, la valeur moyenne de RMS est d'environ 11,9 Â pour une épaisseur de 500 pm, et environ 14,3 Â pour une épaisseur de 700 pm (+ 20%). Pour les mêmes épaisseurs, la valeur moyenne de dissymétrie augmente d'environ 0,12 à 0,23 (+ 92%), et la valeur moyenne du paramètre R3z augmente de 99 Â à 112 Â (+ 12%). Ainsi les trois paramètres sont tous améliorés lorsque le substrat à base de verre est plus fin. Ces expériences démontrent que dans le cas d'une structure comprenant des couches fines 7 de SiO2 et/ou SiNx, la densité, la profondeur et/ou la hauteur de toutes les irrégularités de surface de la couche transférée 4 diminuent avec la diminution de l'épaisseur du substrat à base de verre 3. En conclusion, l'utilisation d'un substrat à base de verre fin ayant une épaisseur comprise entre 300 pm et 600 pm, de préférence entre 300 pm et 500 pm, en particulier entre 300 pm et moins de 500 pm, de manière encore plus préférée, en particulier, entre 350 pm et 450 pm, réduit la densité et la profondeur des canyons d'une structure SiOG. En ajoutant une bicouche de nitrure de silicium et d'oxyde de silicium, il est également possible de réduire la microrugosité. De plus, comme déjà mentionné, la couche de nitrure de silicium et la couche d'oxyde de silicium peuvent être formées sur le substrat source 1 avant la génération de la couche affaiblie 2 ou sur le substrat en verre 3 avant l'étape de collage. En outre, dans le premier cas, une telle formation peut affecter la génération de la couche affaiblie 2, étant donné que cette étape de génération consiste à implanter des espèces ioniques 6 dans le substrat source 1, cette fois à travers les couches supplémentaires 7. Afin d'étudier cet impact possible, on a réalisé davantage de tests supplémentaires, comparant à nouveau les substrats sources « négatifs » dans le cas de cinq des structures les plus intéressantes, avec un substrat en verre 3 ayant une épaisseur de 500 }gym, les cinq résultats associés étant représentés par les figures 9a-c : 1. Implantation d'hydrogène, aucune couche supplémentaire 7 ; 2. Implantation d'hydrogène, présence d'une tricouche ONO formée sur le substrat source 1 ; 3. Co-implantation successive d'hélium et d'hydrogène (c'est-à-dire, tout d'abord l'hélium, ensuite l'hydrogène), aucune couche supplémentaire 7 ; 4. Co-implantation successive d'hélium et d'hydrogène, présence d'une bicouche NO formée sur le substrat source 1 ; 5. Co-implantation successive d'hélium et d'hydrogène, présence d'une bicouche NO formée sur le 25 substrat support à base de verre 3. Pour chaque paramètre, on a obtenu les meilleurs résultats dans le cas #5 d'une co-implantation successive d'ions d'hélium et d'hydrogène 6, et avec une bicouche NO formée sur le substrat support à base 30 de verre 3. Par rapport à une structure comprenant une couche de Si directement transférée sur le substrat support en verre de 700 um d'épaisseur, dans le cas de cette structure particulièrement préférée #5, RMS est divisée par un facteur deux, la dissymétrie est divisée REVENDICATIONS1. Procédé de réduction des irrégularités à la surface d'une couche (4) transférée d'un substrat source (1) à un substrat support à base de verre (3), dans lequel ledit transfert comprend les étapes consistant à : (a) générer une zone d'affaiblissement (2) dans le substrat source (1) ; (b) mettre en contact le substrat source (1) et le substrat support à base de verre (3) ; (c) partager le substrat source (1) au niveau de la zone d'affaiblissement (2) ; caractérisé en ce que l'épaisseur du substrat à 15 base de verre est comprise entre 300 pm et 600 pm. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'épaisseur du substrat à base de verre est comprise entre 300 pm et 500 pm. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'épaisseur du substrat à base de verre est comprise entre 300 pm et moins de 500 pm. 25 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l'épaisseur du substrat à base de verre est comprise entre 350 pm et 450 pm. 5. Procédé selon l'une quelconque des 30 revendications 1 à 4, dans lequel le substrat source (1) a une surface de collage (10) et le substrat support à base de verre (3) a une surface de collage (30), la couche (4) à transférer du substrat source (1) sur le substrat support à base de verre (3) étant 35 définie entre la surface de collage (10) et la zone 20 10d'affaiblissement (2) du substrat source (3), et dans lequel l'étape (b) consiste à mettre en contact la surface de collage (10) du substrat source (1) et la surface de collage (30) du substrat support à base de verre ( 3) . 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le substrat support à base de verre (3) est entièrement réalisé en verre. 7. Procédé revendications 1 à superficielle (7) selon l'une quelconque des 6, dans lequel au moins une couche est intercalée entre le substrat verre (3) et la couche (4), la au 15 support à base de moins une couche superficielle (7) étant réalisée avec un matériau choisi parmi suivants : SiO2, SiNx. au moins l'un des matériaux 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel 20 l'au moins une couche superficielle (7) est une bicouche (7a, 7b) de SiNx/ SiO2. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, dans lequel l'au moins une 25 couche superficielle (7) est formée sur le substrat support à base de verre (3). 10. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la au moins une couche superficielle (7) est une 30 tricouche de SiO2/SiNx/SiO2 formée sur le substrat donneur (1). 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, dans lequel l'épaisseur dechaque couche superficielle (7) est comprise entre 10 nm et 200 nm. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel l'étape (a) est réalisée par la co-implantation successive d'ions d'hélium et d'hydrogène (6). 13. Procédé selon l'une quelconque des 10 revendications 1 à 12, dans lequel le substrat source (1) est réalisé avec un matériau choisi parmi au moins l'un des matériaux suivants : Si, SiC, SiGe. 14. Procédé selon l'une quelconque des 15 revendications 1 à 13, dans lequel l'épaisseur de la couche transférée (4) est comprise entre 0,01 um et 2 um.