Brevet FR2998418A1 — publié le 20140523

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention se rapporte au domaine de la fabrication de structures de type semi-conducteur sur isolant. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Un procédé de fabrication connu de l'état de la technique, illustré aux figures 1A et 1B, est un procédé de fabrication d'une pluralité de structures 20 de type semi-conducteur sur isolant, ledit isolant étant une couche de dioxyde de silicium 22 d'une épaisseur inférieure à 50 nm, ledit procédé de fabrication comprenant une étape de traitement thermique de la pluralité de structures 20 adapté pour dissoudre partiellement la couche de dioxyde de silicium 22. A cet égard, l'homme du métier trouvera une description technique de la dissolution d'une couche de dioxyde de silicium dans les articles de Kononchuk (Kononchuck et al., Nover trends in SOI technology for CMOS applications, Solid state Phenomena, Vols. 156-158 (2010) pp69-76, ainsi que Konochuck et al., Internai Dissolution of Buried Oxide in SOI Wafers, Solid State Phenomena, Vols. 131-133 (2008) pp113-118) Chaque structure 20 comporte une couche de semi-conducteur 23 disposée sur la couche de dioxyde de silicium 22, la couche de semi20 conducteur 23 présentant une surface libre S1. La couche de dioxyde de silicium 22 repose sur un substrat support 21. Le substrat support 21 présente une face libre S4. Le traitement thermique est adapté pour dissoudre partiellement la couche de dioxyde de silicium 22 enterrée. Il est généralement exécuté dans 25 un four 10 comprenant une pluralité de structures 20. Tel que représenté à la figure 2, les structures 20 destinées à être traitées thermiquement sont empilées dans le four 10 de sorte que la surface libre S1 de la couche de semi-conducteur 23 de chaque structure 20 soit en regard de la face libre S4 du substrat support 21 de la structure 20 du dessus. Une atmosphère non oxydante est assurée par un flux de gaz non oxydant injecté dans le four par une entrée 11, et éjecté du four 10 par une sortie 12. Le principal inconvénient de ce traitement thermique est qu'il conduit à une dégradation de l'uniformité en épaisseur de la couche dioxyde de silicium 22 et de la couche de semi-conducteur 23, comme illustré à la figure 1B. Cet inconvénient n'est pas observé dans un four 10 contenant une seule structure 20. Cependant, étant donné des temps de traitement thermique relativement longs et pour des raisons économiques, il n'est pas envisageable d'un point de vue industriel d'exécuter un tel procédé dans un four 10 ne contenant qu'une seule structure 20. Tel que représenté à la figure 1B, à l'issue du traitement thermique, l'épaisseur de la couche dioxyde de silicium 22 et l'épaisseur de la couche de semi-conducteur 23 sont plus importante au centre qu'au bord de la structure 20. Lorsque la couche dioxyde de silicium 22 et la couche de semiconducteur 23 présentent une épaisseur supérieure à 50 nm et 80 nm respectivement, toute dégradation en épaisseur desdites couches ne constitue pas un problème majeur. Cependant, certaines applications nécessitent d'avoir recourt à une couche dioxyde de silicium 22 d'une épaisseur inférieure à 50 nm, de sorte à pouvoir appliquer, par exemple, une tension électrique s'exerçant sur des dispositifs réalisés dans ou sur la couche de semi-conducteur 23. Un contrôle très précis de l'épaisseur de ladite couche dioxyde de silicium 22 est alors nécessaire. Par ailleurs, les structures désignées par le terme FDSOI, pour « Fully Depleted Silicon On Insulator », c'est-à-dire SOI totalement déserté, sont particulièrement avantageuses pour la réalisation de composants électroniques tels que des transistors FDMOS (acronyme de « Fully Depleted Metal Oxide Semiconductor »), dont le canal est formé dans ou sur la couche de semi-conducteur 23. Du fait de l'extrême finesse de l'épaisseur de la couche de semiconducteur 23, la tension de seuil du transistor (usuellement notée Vt), qui dépend de cette épaisseur, est trèssensible aux variations d'épaisseur de la couche de semi-conducteur 23. Un but de l'invention est donc de proposer un procédé de fabrication de structures de type semi-conducteur sur isolant permettant un contrôle précis des épaisseurs des couches de semi-conducteur 23 et dioxyde de silicium 22. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION 10 La présente invention vise à remédier en tout ou partie aux inconvénients précités, et concerne un procédé de fabrication d'une pluralité de structures de semi-conducteur sur isolant, ledit isolant étant une couche de dioxyde de silicium d'une épaisseur inférieure à 50 nm, lesdites structures comprenant une couche de semi-conducteur disposée sur la 15 couche de dioxyde de silicium, ledit procédé comprenant une étape de traitement thermique de la pluralité de structures adapté pour dissoudre partiellement la couche de dioxyde de silicium, ledit procédé étant remarquable en ce que l'atmosphère non oxydante présente une pression inférieure à 0.1 Bar. 20 Les structures destinées à être traitées thermiquement sont disposées dans un four comprenant une pluralité de structures, de sorte qu'une face de chaque structure est en regard d'une face d'une autre structure. Ainsi, lors du traitement thermique la couche de dioxyde de silicium se dissout partiellement, une partie de la couche de semi-conducteur est 25 consommée, et du monoxyde de semi-conducteur se dégage. Dans le cas d'une couche de semi-conducteur en silicium, du monoxyde de silicium se dégage lors du traitement thermique. En outre, la vitesse de dissolution de la couche de dioxyde de silicium est dépendante de la concentration de monoxyde de semi-conducteur au 30 voisinage de la surface libre de la couche de semi-conducteur. La déposante a constaté que la disposition des structures dans le four génère une hétérogénéité de concentration du monoxyde de semiconducteur dans le four. Ladite concentration est plus importante au centre de la surface libre de la couche de semi-conducteur qu'en son bord. La réaction de dissolution est alors plus lente au centre qu'au bord de la structure. L'hétérogénéité de concentration de monoxyde de semiconducteur engendre à son tour une non uniformité d'épaisseur de la couche de dioxyde de silicium et de la couche de semi-conducteur. Ainsi, la réduction de la pression de l'atmosphère non oxydante dans le 10 four à une valeur inférieure à 0.1 bar permet d'homogénéiser la concentration de monoxyde de semi-conducteur dans le four. La non uniformité en épaisseur de la couche de dioxyde de silicium et de la couche de semi-conducteur est alors réduite. Par ailleurs, le traitement thermique de dissolution permet de réduire la 15 rugosité de la surface de la couche de semi-conducteur. Selon un mode de mise en oeuvre, l'atmosphère non oxydante est une atmosphère inerte. Par atmosphère inerte, on entend une atmosphère qui ne réagit pas chimiquement avec la couche de semi-conducteur. 20 Ainsi, l'utilisation d'une atmosphère inerte permet d'éviter une consommation additionnelle de la couche de semi-conducteur. Par ailleurs, une atmosphère non inerte vis-à-vis de la couche de semiconducteur peut révéler ou faire grossir des défauts déjà présents dans la couche de semi-conducteur. Ceci est notamment le cas pour une 25 atmosphère comprenant de l'hydrogène, et une couche de semi-conducteur comprenant au moins un des matériaux sélectionné dans le groupe suivant : silicium, germanium. Selon un mode de mise en oeuvre, la pression de l'atmosphère dans le four est supérieure à 0.01 Bar, de préférence supérieure à 0.05 Bar. Selon un mode de mise en oeuvre, la couche de semi-conducteur a une épaisseur supérieure à 230 nm, de préférence supérieure à 250 nm, encore plus préférentiellement supérieure à 280 nm. Ainsi, le choix d'une telle épaisseur de la couche de semi-conducteur permet de ralentir la vitesse de dissolution de la couche de dioxyde de silicium. Ce mode est particulièrement avantageux lorsqu'il s'agit d'ajuster l'épaisseur de la couche de dioxyde de silicium avec une précision de 1 A. En outre, le ralentissement de la réaction de dissolution permet de considérer des temps de traitement thermique plus longs et ainsi de réduire la rugosité de surface de la couche de semi-conducteur. Selon un mode de mise en oeuvre, le traitement thermique de dissolution est suivi d'un amincissement de la couche de semi-conducteur par une étape d'oxydation sacrificielle par exemple. Ladite oxydation sacrificielle comprenant la formation d'une couche d'oxyde thermique par oxydation thermique de la couche de semi-conducteur suivie d'un retrait de la couche d'oxyde thermique par une étape de gravure. Selon un mode de mise en oeuvre, la couche de semi-conducteur est en silicium. Ainsi, ce mode de mise en oeuvre est avantageux pour la réalisation de substrats de silicium sur isolant comprenant une couche de dioxyde de silicium enterré d'une épaisseur inférieure à 50 nm. Selon un mode de mise en oeuvre, l'atmosphère non oxydante comprend de l'argon et/ou de l'azote. Selon un mode de mise en oeuvre, l'atmosphère non oxydante est contrôlée de sorte à comprendre moins de 1 ppm en oxygène. Ainsi, la faible teneur en oxygène de l'atmosphère dans le four permet d'éviter une oxydation et une rugosification de la surface de la couche de semi-conducteur. Selon un mode de mise en oeuvre, le traitement thermique est exécuté à une température comprise entre 900°C et 1350°C, de préférence comprise entre 1150°C et 1350°C. Selon un mode de mise en oeuvre, le traitement thermique est exécuté pendant une durée comprise entre 10 minutes à 8 heures, de préférence entre 10 minutes et 5 heures. Selon un mode de mise en oeuvre, la couche de dioxyde de silicium a une épaisseur inférieure à 50 nm, de préférence inférieure à 25 nm, encore plus préférentiellement inférieure à 15 nm. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre des modes de mise en oeuvre d'un procédé de fabrication selon l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels : Les figures 1A - 1B sont des représentations schématiques d'une structure traitée par un procédé de fabrication d'une structure de type semi-conducteur sur isolant selon les techniques connues de l'art antérieur ; La figure 2 est une représentation schématique d'un four destiné à l'exécution d'un traitement thermique de dissolution d'une couche de dioxyde de silicium enterré selon les techniques connue de l'art antérieur ; Les figures 3A - 3B sont des représentations schématiques d'une structure traitée selon l'invention ; La figure 4A présente, pour des pressions de l'atmosphère non oxydante de 1, 0.1 et 0.01 bar, les courbes de concentration du monoxyde de semi-conducteur au voisinage de la surface libre de la couche semi-conductrice selon le rayon de la structure ; La figure 4B présente, pour des pressions de l'atmosphère non oxydante de 1, 0.1 et 0.01 bar, les variations d'épaisseur de la couche de dioxyde de silicium selon le rayon de la surface de la structure. DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION Pour les différents modes de mise en oeuvre, les mêmes références seront utilisées pour des éléments identiques ou assurant la même fonction, par souci de simplification de la description. Le procédé de fabrication illustré aux figures 3A et 3B est un procédé de fabrication d'une pluralité de structures 200 de type semi-conducteur sur isolant, ledit isolant étant une couche de dioxyde de silicium 202 d'une épaisseur inférieure à 50 nm, chaque structure 200 comprenant une couche de semi-conducteur 203 disposée sur la couche de dioxyde de silicium 201, ledit procédé comprenant une étape de traitement thermique de la pluralité de structures 200 adapté pour dissoudre partiellement la couche de dioxyde de silicium 202, ladite atmosphère non oxydante présente une pression inférieure à 0.1 Bar. La couche de dioxyde de silicium 202 repose généralement sur un substrat support 201. Le substrat support 201 peut être constitué de tous les matériaux utilisés habituellement dans l'industrie de la micro-électronique, de l'optique, l'optoélectronique et le photovoltaïque. Notamment, le substrat support 201 comprend au moins un des matériaux sélectionné dans le groupe suivant: silicium, Carbure de silicium, silicium germanium, le verre, une céramique, un alliage métallique. La couche de semi-conducteur 203 comprend au moins un des matériaux sélectionné dans le groupe suivant : silicium, germanium, un alliage de silicium germanium. La couche de semi-conducteur 203 est, de manière particulièrement avantageuse, du silicium. Lors du traitement thermique des structures 200 du type semiconducteur sur isolant, différents processus interviennent : La décomposition du dioxyde de silicium à l'interface S2 formée par ladite couche de dioxyde de silicium 202 et la couche de semiconducteur 203 en oxygène O et silicium Si atomiques. La diffusion des atomes d'oxygène O au travers de la couche de semi-conducteur 203. La réaction des atomes d'oxygène O avec les atomes de la surface libre S1 de la couche de semi-conducteur 203 pour former une espèce volatile de monoxyde de semi-conducteur. Dans le cas d'une couche de semi-conducteur 203 en silicium, la réaction des atomes d'oxygène O avec le silicium donne du monoxyde de silicium SiO, qui est volatile. Le monoxyde de semi-conducteur intervient alors dans l'équilibre chimique de dissolution de la couche de dioxyde de silicium 202. Cependant, la déposante a remarquée que la disposition de la pluralité de structures 200 du type semi-conducteur sur isolant dans le four de traitement thermique limite l'évacuation du monoxyde de semi-conducteur du centre de la surface de la couche de semi-conducteur 203 par rapport au bord. La figure 4A représente, pour des pressions d'atmosphère non oxydante égales à 1, 0.1 et 0.01 bar, la concentration de monoxyde de semi-conducteur au voisinage de la surface libre S'1 de la couche de semiconducteur 203 en fonction de la distance par rapport au centre de ladite surface S'1. L'abscisse 0 correspond au centre de la surface S'1, la distance est exprimée en mm, et la structure 200 considérée a un diamètre de 300 mm. La figure 4B représente, pour des pressions d'atmosphère non oxydante égales à 1, 0.1 et 0.01 bar, l'épaisseur de la couche de dioxyde de silicium 202 en fonction de la distance par rapport au centre de la surface libre S1. L'abscisse 0 correspond au centre de la surface S1, la distance est exprimée en mm, et la structure 200 considérée a un diamètre de 300 mm. Lorsque la pression de l'atmosphère non oxydante est égale à 1 bar, une différence de concentration de du monoxyde de semi-conducteur est clairement observée entre le centre et le bord de la surface libre S1. Il en résulte une dissolution de la couche de dioxyde de silicium 202 plus rapide au bord qu'au centre de la structure 200 du type semi-conducteur sur isolant tel que représenté à la figure 3B. La diminution de la pression de l'atmosphère non oxydante dans le four, lors de l'étape de traitement thermique des structures 200 du type semi-conducteur sur isolant, à des valeurs inférieures à 0.1 bar permet de réduire la différence de concentration du monoxyde de semi-conducteur au niveau de la surface libre S1 de la couche de semi-conducteur 203. Ainsi, il est possible de réduire la non uniformité de la couche de semi-conducteur 203. Toujours de manière avantageuse, la pression de l'atmosphère non oxydante dans le four est maintenue à une valeur supérieure à 0.01 bar, de préférence supérieure à 0.05 bar. Le four de traitement thermique est, par exemple, un four de dissolution adapté pour le traitement d'une pluralité de structures 200. Le four de traitement thermique est part exemple un four de type QUIXACE® commercialisé par la société KOKUSAI. Le four de traitement thermique est adapté pour maintenir une atmosphère non oxydante. De manière avantageuse, pendant l'étape de traitement thermique, l'atmosphère non oxydante, dans le four, est contrôlée de sorte à comprendre moins de 1 ppm en oxygène. Toujours de manière avantageuse, l'atmosphère non oxydante dans le four est une atmosphère inerte. Une atmosphère inerte est une atmosphère qui ne réagit pas chimiquement avec la couche de semiconducteur 203. L'hydrogène n'est pas considéré comme une atmosphère inerte vis-à-vis d'une couche de semi-conducteur 203 comprenant un des matériaux choisis dans le groupe suivant : silicium, germanium, ou alliage 2 9984 18 10 de silicium germanium. Un traitement thermique dans une atmosphère d'hydrogène peut révéler ou faire grossir des défauts dans une couche de semi-conducteur 203 comprenant du silicium, du germanium ou un alliage de silicium germanium. De manière particulièrement avantageuse, l'atmosphère non oxydante comprend un des éléments choisi parmi le groupe suivant : argon, azote. De manière avantageuse, le traitement thermique est exécuté à une température comprise entre 900°C et 1350°C, de préférence comprise 10 entre 1150°C et 1350°C. De manière avantageuse, le traitement thermique est exécuté à une température supérieure à 1150°C. La couche de dioxyde de silicium 202 a une épaisseur inférieure à 50 nm, de préférence inférieure à 25 nm, encore plus préférentiellement 15 inférieure à 15 nm. De manière particulièrement avantageuse, la couche de semi- conducteur 203 a une épaisseur supérieure à 230 nm, de préférence supérieure à 250 nm, encore plus préférentiellement supérieure à 280 nm. De telles épaisseurs de couche de semi-conducteur 203 permettent de 20 ralentir la réaction de dissolution de la couche de dioxyde de silicium 202 lors du traitement thermique, et donc d'exercer un contrôle très précis de la diminution en épaisseur de la couche de dioxyde de silicium 202. Par ailleurs, en combinaison avec une pression inférieure à 0.1 Bar, il est alors possible de rendre l'équilibre chimique de dissolution 25 essentiellement limité par la diffusion des atomes d'oxygène au travers de la couche de semi-conducteur 203 plutôt que par la diffusion du monoxyde de semi-conducteur. Exemple 1: Un traitement thermique selon l'invention est exécuté sur des 30 structures 200 de silicium sur isolant comprenant une couche de dioxyde de silicium de 30 à 40 nm d'épaisseur, une couche de semi-conducteur en silicium d'une 100 nm d'épaisseur. Le traitement thermique est effectué à une température de 1200°C pendant 5 à 10 min sous une atmosphère non oxydante comprenant exclusivement de l'argon ou de l'azote. Le traitement thermique permet de réduire l'épaisseur de la couche de dioxyde de silicium à une épaisseur comprise entre 10 et 20 nm. Après traitement thermique, les structures 200 sont soumises à une étape d'amincissement de la couche de Silicium, c'est-à-dire une oxydation suivie d'une désoxydation, de façon à obtenir une couche de silicium de 12 nm d'épaisseur. Si la pression de l'atmosphère non oxydante est égale à 1 bar lors du traitement thermique, il en résulte une non uniformité en épaisseur de la couche de dioxyde de silicium de 3 nm, et une non uniformité de 1.5 nm de la couche de silicium. Une diminution de la pression de l'atmosphère non oxydante à une pression inférieure à 0.1 bar, permet de réduire la non uniformité des couches de dioxyde de silicium et de silicium à des valeurs inférieures à 0.5 nm et 0.2 nm, respectivement. Exemple 2 : Un traitement thermique selon l'invention est exécuté sur des structures 200 de silicium sur isolant comprenant une couche de dioxyde de silicium de 30 à 40 nm d'épaisseur, une couche de semi-conducteur en silicium d'une 300 nm d'épaisseur. Le traitement thermique est effectué à une température de 1200°C pendant une dizaine d'heures sous une atmosphère non oxydante comprenant exclusivement de l'argon ou de l'azote. Le traitement thermique permet de réduire l'épaisseur de la couche de dioxyde de silicium à une épaisseur comprise entre 10 et 20 nm. Après traitement thermique, les structures 200 sont soumises à une étape d'amincissement de la couche de Silicium, c'est-à-dire une oxydation suivie d'une désoxydation, de façon à obtenir une couche de silicium de 12 nm d'épaisseur. Si la pression de l'atmosphère non oxydante est égale à 1 bar lors du traitement thermique, il en résulte une non uniformité en épaisseur de la couche de dioxyde de silicium de 1 à 1.5 nm, et une non uniformité de 0.5 à 1 nm de la couche de silicium. Une diminution de la pression de l'atmosphère non oxydante à une pression inférieure à 0.1 bar, permet de réduire la non uniformité des couches de dioxyde de silicium et de silicium à des valeurs inférieures à 0.13 nm et 0.07 nm, respectivement. Le procédé conforme à l'invention permet donc d'obtenir un structure 200 de semi-conducteur sur isolant dont la couche de dioxyde de silicium présente une épaisseur contrôlée avec une précision inférieure à +/-1 A, et une non uniformité en épaisseur inférieur à 2 A. De plus, le traitement thermique permet de réduire la rugosité de surface de la couche de semi-conducteur. On obtient ainsi des structures 200 de silicium sur isolant d'excellente qualité, particulièrement adaptés aux applications de fabrication des composants électroniques auxquels elles sont destinées. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une pluralité de structures (200) de type semi-conducteur sur isolant, ledit isolant étant une couche de dioxyde de silicium (202) présentant une épaisseur inférieure à 50 nm, chaque structure (200) comprenant une couche de semi-conducteur (203) disposée sur la couche de dioxyde de silicium (202), ledit procédé de fabrication comprenant une étape de traitement thermique de la pluralité de structures (200) adapté pour dissoudre partiellement la couche de dioxyde de silicium (202), l'étape de traitement thermique étant exécutée dans une atmosphère non oxydante, ledit procédé de fabrication étant caractérisé en ce que l'atmosphère non oxydante présente une pression inférieure à 0.1 Bar. 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, selon lequel l'atmosphère non oxydante est une atmosphère inerte. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, selon lequel l'atmosphère non oxydante comprend de l'argon et/ou de l'azote. 4. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 3, selon lequel l'atmosphère non oxydante est contrôlée de sorte à comprendre moins de lppm en oxygène. 5. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 4, selon lequel l'atmosphère non oxydante présente une pression supérieure à 0.01 Bar, de préférence supérieure à 0.05 Bar. 6. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 5, selon lequel la couche de semi-conducteur (203) a une épaisseur supérieure à 30 230 nm, de préférence supérieure à 250 nm, encore plus préférentiellement supérieure à 280 nm. 2 9984 18 14 7. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 6, selon lequel la couche de semi-conducteur (203) est en silicium. 8. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 7, selon 5 lequel l'étape de traitement thermique est exécutée à une température comprise entre 900°C et 1350°C, de préférence comprise entre 1150°C et 1350°C. 9. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 8, selon 10 lequel l'étape de traitement thermique est exécutée pendant une durée comprise entre 10 minutes et 8 heures, de préférence entre 10 minutes et 5 heures. 10. Procédé de fabrication selon l'une des revendication 1 à 9, selon 15 lequel la couche de dioxyde de silicium a une épaisseur inférieure à 50 nm, de préférence inférieure à 25 nm, encore plus préférentiellement inférieure à 15 nm.