Brevet FR2985371A1 — publié le 20130705

B11455 - DD13263CV 1 PROCÉDÉ DE FABRICATION D'UNE STRUCTURE MULTICOUCHE SUR UN SUPPORT Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une structure multicouche, correspondant par exemple à une plaquette de circuits intégrés, sur un support final par collage moléculaire. La présente invention concerne également un support initial pour une telle structure multicouche. Exposé de l'art antérieur Pour certaines applications, il est souhaitable de réaliser une plaquette de circuits intégrés sur un support. En particulier, pour des applications dans le domaine de l'optique, le support doit être isolant et transparent. Il s'agit par exemple de verre. Un exemple d'application concerne la fabrication d'un écran de visualisation transmissif. Les figures lA à 1C représentent des coupes schéma-15 tiques de structures obtenues à des étapes successives d'un procédé de fabrication d'une plaquette de circuits intégrés sur un support par collage moléculaire. La figure lA représente, de façon schématique, un élément 10 ayant une structure du type SOI (acronyme anglais pour 20 Silicon On Insulator). B11455 - DD13263CV 2 L'élément 10 comprend un support initial 12, par exemple un substrat de silicium monocristallin. L'épaisseur el du support initial 12 est, par exemple, de plusieurs centaines de micromètres, et est, par exemple, égale à environ 700 Le support initial 12 peut correspondre à un cylindre dont le diamètre est supérieur à une centaine de millimètres, et est égal, par exemple, à environ 200 mm ou 300 mm. Le support initial 12 comprend une face plane 13 recouverte d'une couche isolante 14, par exemple en dioxyde de silicium. L'épaisseur e2 10 de la couche isolante 14 est, par exemple, de l'ordre de 1 La couche isolante 14 est recouverte d'une plaquette de circuits intégrés 16. La plaquette de circuits intégrés 16 comprend un empilement de couches dans lequel sont formés des composants électroniques actifs et/ou passifs et des pistes conductrices 15 reliant ces composants. A titre d'exemple, la plaquette de circuits intégrés 16 comprend une couche 18 d'un matériau semiconducteur, par exemple du silicium monocristallin, recouvrant la couche isolante 14 et dans et sur laquelle sont formés les composants électroniques actifs et/ou passifs, par exemple 20 des transistors 20. La plaquette de circuits intégrés 16 comprend, en outre, un empilement de couches isolantes 22, par exemple en dioxyde de silicium, recouvrant la couche de silicium 18 et dans lequel sont formées des pistes 24 et des vias 26 d'un matériau conducteur pouvant venir au contact des composants 25 électroniques. A titre d'exemple, l'épaisseur e3 de la plaquette 16 est de l'ordre de quelques micromètres. La dernière couche isolante de l'empilement 22 de couches isolantes forme une face supérieure plane 28 opposée au support 12. La figure 1B représente la structure obtenue après la 30 réalisation d'un collage moléculaire entre la face 28 de l'élément 10 et un support final 30. Le support final 30 est en un matériau différent du silicium, par exemple en verre. L'épaisseur ev du support final 30 est supérieure à plusieurs centaines de micromètres, et est, par exemple, égale à environ 35 700 gm. Le support final 30 comprend une face 32 appliquée B11455 - DD13263CV 3 contre la face 28. Le collage moléculaire consiste à créer une liaison entre les faces 28 et 32 sans l'apport de matière extérieure (comme une colle ou une matière adhésive). Pour cela, les faces 28 et 32, convenablement nettoyées, sont mises au contact l'une de l'autre à température ambiante. Une pression peut être exercée localement sur le support 30 pour amorcer le collage. Le front de propagation de la zone collée se répand alors de la région d'amorce sur l'ensemble des surfaces en regard. La figure 1C représente la structure obtenue après le retrait du support initial 12. Le retrait du support initial 12 peut comprendre une étape de rectification mécano-chimique pour retirer la plus grande partie du support initial 12 suivie d'une étape de gravure chimique sélective pour retirer le reste du support initial 12. La couche isolante 14 peut servir de couche d'arrêt lors du retrait du support initial 12. Le procédé se poursuit généralement par la réalisation de vias conducteurs au travers de la couche isolante 14 et de la couche de silicium 18 et connectés à des pistes métalliques 24 de la plaquette de circuits intégrés 16. La formation de ces vias comprend des étapes de photolithographie, incluant des étapes dans lesquelles une couche d'une résine photosensible recouvrant la couche isolante 14 est exposée à un rayonnement au travers d'un masque pour reproduire le motif du masque sur la couche de résine. Dans ce but, le dispositif d'exposition, qui comprend notamment les systèmes optiques pour former le motif dans la couche de résine photosensible, doit être placé avec précision par rapport à la plaquette de circuits intégrés 16. Dans un procédé de fabrication à une échelle indus- trielle, les étapes de photolithographie doivent être réalisées le plus rapidement possible. Dans ce but, le dispositif d'exposition est réglé au préalable pour que le motif à transférer se forme sans réglage supplémentaire de façon correcte dans la couche de résine pour une plaquette de circuits intégrés qui aurait les dimensions attendues. B11455 - DD13263CV 4 Toutefois, des déformations sont observées dans la plaquette de circuits intégrés 16 après l'étape de collage. En particulier, un rétrécissement est observé, c'est-à-dire que deux repères formés sur la face de collage 28 avant l'étape de collage sont rapprochés l'un de l'autre après l'étape de collage. Le rétrécissement relatif peut être de l'ordre de 20 ppm. Ces déformations peuvent être généralement au moins en partie compensées par le dispositif d'exposition. Toutefois, ceci entraîne des étapes de réglage supplémentaires qui ne sont pas compatibles avec la réalisation d'un procédé de fabrication à une échelle industrielle. En outre, dans certains cas, ces déformations peuvent être trop importantes pour être compensées par le dispositif d'exposition. Un besoin existe donc d'un procédé de fabrication d'une structure multicouche, correspondant par exemple à une plaquette de circuits intégrés, sur un support final par collage moléculaire de la plaquette sur le support dans lequel les déformations dans la plaquette de circuits intégrés qui résultent de l'opération de collage sont réduites, voire supprimées. Résumé Un objet de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d'une structure multicouche sur un support par collage moléculaire qui pallie les inconvénients des procédés connus. Selon un autre objet de la présente invention, les déformations relatives dans la structure multicouche qui résultent de l'opération de collage sont inférieures à 5 ppm. Selon un autre objet de la présente invention, le procédé de fabrication par collage moléculaire comporte un 30 nombre réduit d'étapes supplémentaires par rapport à un procédé de fabrication par collage moléculaire connu. Ainsi, la présente invention prévoit un procédé de fabrication d'une structure multicouche sur un premier support en un premier matériau ayant un module d'Young Ev et une 35 épaisseur ev. Le procédé comprend l'utilisation d'un second B11455 - DD13263CV support recouvert de la structure multicouche, le second support étant en un second matériau ayant un module d'Young Es, différent du module d'Young Ev, et une épaisseur es vérifiant, à % près, la relation :EV 5 es = --ev ; Es le collage moléculaire entre le premier support et la structure multicouche ; et le retrait du second support. Selon un exemple de réalisation de l'invention, le second support a initialement une épaisseur strictement supé- 10 rieure à l'épaisseur es, le procédé comprenant, en outre, avant l'étape de collage, l'amincissement du second support jusqu'à l'épaisseur es. Selon un exemple de réalisation de l'invention, les épaisseurs es et ev sont supérieures à 50 pin. Selon un exemple de réalisation de l'invention, le second matériau est du silicium monocristallin. Selon un exemple de réalisation de l'invention, le premier matériau est isolant. Selon un exemple de réalisation de l'invention, le 20 premier matériau est transparent. Selon un exemple de réalisation de l'invention, le premier matériau est du verre. La présente invention prévoit également un support pour une structure multicouche destinée à être collée à un 25 support supplémentaire en un premier matériau ayant un module d'Young Ev et une épaisseur ev, le support étant en un second matériau ayant un module d'Young Es, différent du module d'Young Ev, et une épaisseur es vérifiant, à 10 % près, la relation : v es = e v- Es 30 Selon un exemple de réalisation de l'invention, le second matériau est du silicium monocristallin. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante B11455 - DD13263CV 6 d'exemples de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : les figures LA à 1C, décrites précédemment, représentent les structures obtenues à des étapes successives d'un 5 procédé de fabrication connu d'une plaquette de circuits intégrés sur un support isolant ; et les figures 2A à 2D représentent les structures obtenues à des étapes successives d'un exemple de réalisation d'un procédé de fabrication d'une plaquette de circuits intégrés sur un 10 support isolant selon la présente invention. Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits 15 intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Le principe de l'invention se base sur une analyse des phénomènes physiques qui se produisent lors d'une opération de collage moléculaire de deux supports comprenant des matériaux de natures différentes. Au niveau du front de propagation de la 20 zone collée, on observe une mise en extension locale des supports. Lorsque les modules d'Young des matériaux des supports sont différents, les déformations locales résultantes ne sont pas identiques. La face collée du support dont le module d'Young est le plus faible s'étend davantage que la face collée du 25 support dont le module d'Young est le plus élevé. Le collage se produit alors que les supports sont déformés. Après avoir collé les deux supports et retiré l'un des supports pour ne laisser qu'une couche mince collée à l'autre support, des déformations dans la couche mince sont observées. 30 En général, lors du collage d'une plaquette de circuits intégrés sur un support final en verre, la plaquette de circuits intégrés repose sur un support initial, retiré par la suite, qui est un substrat de silicium monocristallin. Les inventeurs ont mis en évidence que, lors du collage moléculaire 35 de la plaquette de circuits intégrés sur le support final, les B11455 - DD13263CV 7 déformations résultantes observées dans la plaquette de circuits intégrés sont essentiellement dues à la nature du matériau du support initial utilisé pour l'application de la plaquette de circuits intégrés contre le support final. En effet, l'épaisseur 5 de la plaquette de circuits intégrés est faible par rapport à l'épaisseur du support initial et il est possible de la négliger. Le module d'Young du verre est inférieur au module d'Young du silicium de sorte que l'on observe, après le collage, un agrandissement négatif dans un plan de la plaquette de 10 circuits intégrés parallèle aux faces collées. Lors de la phase de collage entre le support final et le support initial, les énergies élastiques stockées dans chaque support sont égales, ce qui se traduit par la relation (1) suivante : 1 1 15 7V,Eve, = 7VsEsEs (1) où Vv est le volume du support final, Vs est le volume du support initial, Ev est le module d'Young du support final, Es est le module d'Young du support initial, sv est la déformation du support final et ss est la déformation du support initial. 20 Les modules d'Young Ev et Es sont les modules d'Young mesurés dans un plan parallèle aux faces collées. Le module d'Young de l'un des supports peut ne pas être constant dans un plan parallèle aux faces collées. Dans ce cas, le module d'Young Es ou Ev de la relation (1) correspond à une valeur moyenne. 25 Les inventeurs ont mise en évidence que lorsque les déformations sv et ss sont égales, cela signifie que, après collage, le support initial et le support final retrouvent un état d'équilibre sans déformation. Il est possible d'imposer que la déformation sv dans le support final soit égale à la 30 déformation ss dans le support initial si les volumes Vv et Vs vérifient la relation (2) suivante : VvEv = VsEs (2) Les supports initial et final ayant la même surface en regard, la relation (2) devient la relation (3) suivante : B11455 - DD13263CV 8 es = v e (3) Es où es est l'épaisseur du substrat initial et ev est l'épaisseur du substrat final. De façon générale, pour la formation d'une plaquette de circuits intégrés sur un support en verre, le module d'Young du support en verre est d'environ 70 GPa tandis que le module d'Young du support initial en silicium mono-cristallin est d'environ 140 GPa. L'épaisseur es du support initial est alors obtenue par la relation (4) suivante : es'°,5e, (4) Les figures 2A à 2D représentent les structures obtenues à des étapes successives d'un exemple de réalisation d'un procédé de fabrication d'une plaquette de circuits intégrés sur un support isolant selon l'invention. La figure 2A représente une structure 10 identique à la structure représentée en figure 1A. L'épaisseur el du support initial 12 est par exemple de l'ordre de 700 micromètres. Ceci correspond à l'épaisseur standard des substrats de silicium utilisés de façon classique dans les procédés de fabrication de circuits intégrés. La figure 2B représente la structure obtenue après une étape d'amincissement du support initial 12. Cette étape peut être réalisée par rectification mécano-chimique. L'épaisseur du support intermédiaire 12 est réduite jusqu'à l'épaisseur es, donnée par la relation (4). L'égalité de la relation (4) peut être vérifiée jusqu'à 10 % tout en donnant des résultats satisfaisants. A titre d'exemple, lorsque l'épaisseur ev du support 30 final en verre est de l'ordre de 700 pin, l'épaisseur réduite es peut être de l'ordre de 350 pm. La figure 2C représente la structure obtenue après la réalisation d'un collage moléculaire entre les faces 28 et 32. Le support final 30 est en un matériau isolant et transparent. Il s'agit par exemple de verre. Il s'agit par exemple du verre à base de borosilicate commercialisé par la société Corning sous l'appellation Eagle 2000. B11455 - DD13263CV 9 De façon connue, le procédé de collage moléculaire peut comprendre des étapes de préparation des faces 28 et 32 à coller. Si besoin, un traitement peut être réalisé pour que la rugosité des faces 28 et 32 soit adaptée à la réalisation d'un 5 collage moléculaire. Les étapes de préparation peuvent, en outre, comprendre le nettoyage des faces 28 et 32 visant à retirer la majorité des particules présentes sur les faces 28 et 32 dont le diamètre est, par exemple, supérieur à 0,2 }un. Les étapes de préparation peuvent, en outre, comprendre un 10 traitement chimique des faces 28 et 32 pour favoriser un collage moléculaire de type hydrophile ou hydrophobe. Le collage peut être réalisé à température ambiante. Le collage peut être amorcé en plaquant les faces 28 et 32 l'une contre l'autre et en appliquant une pression localisée sur l'un 15 des supports. Le collage débute alors dans une zone d'amorce et un front de propagation de collage se répand depuis la zone d'amorce jusqu'à ce que la face 28 soit collée en totalité à la face 32. Lorsque les supports 30 et 12 sont cylindriques, la zone d'amorce peut être prévue en région centrale des faces 28 20 et 32. A titre de variante, la zone d'amorce peut être située sur un bord des faces 28 et 32. Une étape de recuit peut ensuite être réalisée à une température inférieure à la température maximale autorisée pour les matériaux utilisés. Lorsque le support final 30 est en verre, le recuit peut être réalisé 25 jusqu'à une température de 400°C à 500°C pendant une durée d'au moins 1 heure, et en général de plusieurs heures, pour augmenter l'énergie de collage. La figure 2D représente la structure obtenue après le retrait du support initial 12. Le retrait du support initial 12 30 peut comprendre une étape de rectification mécano-chimique pour retirer la plus grande partie du support initial 12 suivie d'une étape de gravure chimique sélective pour retirer le reste du support initial 12. La couche isolante 14 peut servir de couche d'arrêt lors du retrait du support initial 12. Les déformations B11455 - DD13263CV 10 relatives dans la plaquette de circuits intégrés 16 qui résultent de l'opération de collage sont inférieures à 5 ppm. Le procédé se poursuit généralement par la formation de vias conducteurs au travers de la couche isolante 14 et de la 5 couche de silicium 12. Des exemples de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, bien que dans l'exemple de réalisation décrit précédemment, le 10 support final soit en verre et le support initial soit en silicium, il est clair que la présente invention peut s'appliquer au collage moléculaire de tout type de matériau ayant des modules d'Young différents. A titre d'exemple, le support initial et/ou le support final peuvent être en un matériau semi- 15 conducteur, par exemple du silicium, du germanium ou de l'arséniure de gallium, en un matériau isolant, par exemple du quartz ou du saphir, ou en tout matériau à bas coût pouvant être utilisé pour réaliser un substrat poignée, par exemple un polymère. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une structure multicouche (16) sur un premier support (30) en un premier matériau ayant un module d'Young Ev et une épaisseur ev, le procédé comprenant les étapes successives suivantes : prévoir un second support (12) recouvert de la structure multicouche, le second support étant en un second matériau ayant un module d'Young Es, différent du module d'Young Ev, et une épaisseur es vérifiant, à 10 % près, la relation : es = Ev - ev Es réaliser un collage moléculaire entre le premier support et la structure multicouche ; et retirer le second support. 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel le second support (12) a initialement une épaisseur strictement supérieure à l'épaisseur es, le procédé comprenant, en outre, avant l'étape de collage, l'amincissement du second support jusqu'à l'épaisseur es. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les épaisseurs es et ev sont supérieures à 50 pin. 4. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le second matériau est du silicium monocristallin. 5. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le premier matériau est 25 isolant. 6. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le premier matériau est transparent. 7. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des 30 revendications 1 à 6, dans lequel le premier matériau est du verre. 8. Support (12) pour une structure multicouche (16) destinée à être collée à un support (30) supplémentaire en unB11455 - DD13263CV 12 premier matériau ayant un module d'Young Ev et une épaisseur ev, le support étant en un second matériau ayant un module d'Young Es, différent du module d'Young Ev, et une épaisseur es vérifiant, à 10 % près, la relation : es = E-v ev . Es 9. Support selon la relation 8, dans lequel le second matériau est du silicium monocristallin.