Brevet FR3024587A1 — publié le 20160205

PROCEDE DE FABRICATION D UNE STRUCTURE HAUTEMENT RESISTIVE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne une structure comportant successivement un substrat support de silicium dit de haute résistivité (HR), une couche mésoporeuse de silicium, une couche diélectrique et une couche semi-conductrice, par exemple destiné à être utilisée dans la fabrication d'applications hautes fréquences (HF). ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION Le procédé selon l'invention est particulièrement adapté pour la fabrication d'applications HF, c'est-à-dire supérieures à 100 MHz, telle qu'une application radiofréquence (RF) pour les circuits intégrés avec une fréquence de fonctionnement dont l'ordre de grandeur est de quelques GHz. A cet effet, une telle structure doit présenter une importante résistivité électrique, c'est-à-dire supérieure à 5 KI.cm, au moins au 20 voisinage de la couche active semi-conductrice sur laquelle ou dans laquelle seront formés les circuits intégrés. Ce type de structure est notamment connu du document FR 2 967 812. Cependant, ce document reste muet quant aux caractéristiques du substrat support et de la couche poreuse en silicium afin de maximiser la 25 résistivité électrique de la structure tout en conservant une tenue mécanique satisfaisante. La tenue mécanique peut être définie par la capacité à survivre à un procédé de fabrication avec une probabilité de 1, ou par exemple qu'une quantité inférieure à 30 ppm de la plaque casse. 30 La présente invention s'applique, par exemple, aux substrats dits eSi (Enhanced Signal Integrity) permettant la fabrication de circuits radiofréquences (RF) à haute performance, à un coût compétitif. Innovants et basés sur la technologie Smart Cut (TM), les substrats eSI ont un impact significatif sur la performance des produits finaux. Ils sont obtenus en introduisant une couche, communément appelée « trap-rich », entre la couche hautement résistive (HR) d'un substrat support en silicium et une couche diélectrique enterrée. Cette couche limite la conduction parasitaire 5 de surface présente dans le substrat support de silicium HR, améliorant les performances des circuits RF. Les circuits RF peuvent ainsi intégrer des fonctions diverses, telles que les commutateurs, les amplificateurs de puissance, des tuners d'antenne, ... . Le substrat eSI apporte une excellente isolation RF, une faible perte d'insertion, une meilleure conductivité 10 thermique et une meilleure intégrité de signal par rapport aux autres technologies. Les procédés de fabrication des substrats eSi visent à fabriquer une structure comportant successivement un substrat support de silicium dit de haute résistivité (HR), une couche poreuse de silicium dite 15 trap-rich, une couche diélectrique et une couche semi-conductrice. La couche poreuse est habituellement une couche de poly-silicium déposée par épitaxie sur le substrat support de silicium HR. Une telle solution génère différents types de problèmes notamment : le poly-silicium se recristallise lors d'une étape thermique ultérieure 20 contribuant ainsi à diminuer la densité des pièges dans la couche de poly-silicium, et donc à diminuer sa résistivité ; les procédés connus de dépôt de la couche de poly-silicium ne permettent pas d'obtenir une surface parfaitement uniforme, nécessitant alors une étape supplémentaire, par exemple, de CMP. 25 le dépôt de la couche poreuse ne permet pas d'obtenir une épaisseur de couche très fine, inférieure à 1 pm. Le taux de porosité et l'épaisseur de la couche poreuse contribuent à définir la tenue mécanique de la couche poreuse alors d'états de fabrications. Ainsi, plus une couche poreuse est épaisse, et plus sa tenue mécanique est 30 faible, et inversement. Ainsi les couches poreuses et leur épaisseur, entre 10 pm et 80 pm, de l'art antérieur de permettent pas d'obtenir une couche avec une tenue mécanique suffisante. Enfin, les solutions de l'art antérieur, intégrant des substrats de silicium dit de haute résistivité (HR), montre une distorsion harmonique issue de pertes électriques d'un substrat de silicium sur lequel des circuits RF sont disposés. Ces pertes électriques contribuent à dégrader les performances de la structure (voir la doctrine : « Silicon-on-insulator (SOI) Technology, manufacture and applications », points 10.7 et 10.8, Oleg Kononchuk and Bich-Yen Nguyen, chez Woodhead Publishing). Ainsi, les solutions de l'art antérieur ne permettent pas d'obtenir une couche poreuse avec une tenue mécanique suffisante, un niveau de pertes électriques réduit, et offrant une structure avec un niveau de résistivité élevé et contrôlé. La présente invention vise à obtenir une structure obviant les problèmes de l'art antérieur. OBJET DE L INVENTION A cet effet, la présente invention concerne un procédé de fabrication d'une structure comportant les étapes successives suivantes : - fournir un substrat support de silicium dit de haute résistivité comportant une partie inférieure et une partie supérieure ayant subit un dopage de type p sur une profondeur D ; - former une couche mésoporeuse de silicium dans la partie supérieure dopée du substrat support ; former une couche diélectrique sur la couche mésoporeuse de silicium ; former une couche semi-conductrice sur la couche diélectrique. Avant de former la couche diélectrique, la couche mésoporeuse de silicium est obtenue par un procédé d'électrolyse de la partie supérieure dopée du substrat support de silicium haute résistivité selon un taux de porosité prédéterminés. La demanderesse a constaté que le taux de porosité de la couche mésoporeuse ainsi obtenue permet de contrôler précisément le niveau de résistivité de la structure, et pouvant être élevé (>5 kû.cm). Par ailleurs, le réglage du taux de porosité, selon une plage de valeurs précises (entre 20% et 60%), et de la profondeur D (inférieure à 1 pm) du dopage de la partie supérieure du substrat support de silicium dit de haute résistivité permettent, après le procédé d'électrolyse réalisé, d'assurer une bonne tenue mécanique de la couche mésoporeuse, un niveau de pertes électriques de la structure réduit, ainsi que des propriétés de résistivité et d'isolation radiofréquence (RF) performantes. Par ailleurs, le procédé d'électrolyse du substrat support de silicium permet la fabrication d'une couche mésoporeuse très fine (inférieure à 1pm) de manière simple et efficace, et d'éviter le dépôt d'une couche mésoporeuse sur le substrat support, éludant ainsi le temps de réalisation et les problèmes liés aux étapes de planarisation, de gravures et/ou de finitions nécessaire au dépôt d'un substrat sur un autre. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit du mode de réalisation, particulier et non limitatif, de l'invention en référence aux figures ci-jointes parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique en coupe transversale d'un substrat support ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe transversale du substrat support ayant subit une électrolyse ; - la figure 3 est un graphique représentant la dépendance du module d'Young avec la porosité du silicium ; - la figure 4 est un graphique représentant l'évolution d'élément dopant de type p en fonction de la profondeur dans le substrat support ; - la figure 5 est une vue schématique en coupe transversale d'une structure selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION Un des modes de réalisation possibles du procédé de fabrication conforment à l'invention, et permettant de palier aux 30 problématiques précédemment énoncées, va maintenant être décrit en faisant référence aux figures 1 à 5. Le procédé de fabrication d'une structure selon l'invention vise à contrôler l'épaisseur et le taux de porosité d'une couche mésoporeuse 1 contenue dans un substrat support de silicium 2 dit de haute résistivité, et25 ce, pour obtenir une structure possédant une résistivité précise et prédéterminée, une bonne tenue mécanique, ainsi qu'une réduction des pertes électriques de la structure. Pour se faire, le substrat support de silicium 2, dit de haute résistivité (HR), représenté en figure 1, subit un dopage en surface de type p sur une partie supérieure 3 et une profondeur prédéterminée D du substrat support de silicium HR 2. Le dopage de la partie supérieure 3 du substrat support en silicium HR 2 peut être réalisé par toute technique connue de l'art antérieur, telles que l'implantation ionique suivi d'un recuit de type RTA pour activer les dopants de type p, une épitaxie d'une couche p+, un dopage par Spin on glass, . Ainsi dopée, la partie supérieure 3 du substrat support de silicium HR 2 est alors soumis à un procédé d'électrolyse, de manière à modifier la partie supérieure 3 du substrat support de silicium HR 2 en une couche poreuse 1, illustrée en figure 2, et plus particulièrement une couche mésoporeuse 1 présentant des pores 4 d'un diamètre compris entre 2 nm et 50 nm. La profondeur D d'éléments dopants introduit dans le substrat support de silicium HR 2 correspond à la profondeur de la couche mésoporeuse 1. Ainsi, la couche mésoporeuse de silicium 1 constitue une zone superficielle du substrat support de silicium HR 2. Un mode de réalisation d'un tel procédé peut être une anodisation électrochimique, dans laquelle au moins la partie supérieure 3 du substrat support de silicium HR 2 est placée dans une enceinte comprenant un électrolyte, tel que de l'acide fluorhydrique. Une anode et 25 une cathode sont alors plongées dans l'électrolyte et alimentées par une source de courant électrique, non représentée. La demanderesse a constaté que la résistivité initiale du substrat support en silicium HR, ainsi que la morphologie du silicium poreux avaient une influence considérable sur la résistivité électrique et sur sa 30 tenue mécanique de la structure. Il existe trois types de morphologie pour le silicium poreux : - le silicium macroporeux, généralement obtenu à partir de silicium de type n faiblement dopé, et présentant un diamètre de pores supérieur à 50 nm ; - le silicium mésoporeux, généralement obtenu à partir de silicium de type p fortement dopé, et présentant un diamètre de pores compris entre 2 nm et 50 nm ; - le silicium nanoporeux (ou encore appelé microporeux), 5 généralement obtenu à partir de silicium de type p faiblement dopé, et présentant un diamètre de pores inférieure à 2 nm. D'une manière générale, pour que le procédé d'électrolyse puisse fonctionner, permettant ainsi d'obtenir une couche poreuse de silicium sur la base d'un substrat support de silicium HR, le substrat support 10 en silicium HR doit comporter des dopants de type p. Selon le niveau de dopage du substrat et les conditions du procédé d'électrolyse, tel que l'ajustement de la densité de courant électrique appliqué par la source de courant électrique, le taux de porosité sera plus ou moins important et contrôlé. 15 La porosité Po d'une couche est définie comme la fraction de volume inoccupé au sein de la couche, et s'écrit : Po = (d - dPo)/d où d est la densité du matériau non-poreux et dPo est la densité du matériau poreux. 20 Par exemple, dans le cas d'un substrat de silicium de type HR non dopé, les trous sont en très faible concentration (Na = 2e13 cm-3) et le procédé de porosification entraine, dans les conditions standards d'électrolyse, la création de macropores vides. Pour augmenter le taux de dopants de type p dans le substrat de support HR, une solution de l'art 25 antérieur consiste à illuminer le substrat support de silicium HR durant le procédé de porosification, afin de créer des paires d'électrons trous dans la structure. On obtient alors une couche non plus macroporeuse mais nanoporeuse avec des diamètres de pores inférieure à 2 nm et une porosité élevée (P > 75%), équivalente à une porosification standard d'un substrat 30 très fortement dopé (Na > 2e19 cm-3). La porosité de la couche ainsi obtenue possède alors un taux de porosité suffisant pour obtenir un niveau de résistivité élevé. Cependant, de tels taux de porosité génèrent un manque de tenue mécanique de la couche poreuse, et notamment lorsque la couche poreuse est épaisse, supérieure à 1 pm. Ainsi, l'épaisseur et le taux de porosité de ladite couche contribuent à caractériser la tenue mécanique de la couche poreuse. La figure 3 représente la dépendance du module de Young au regard du taux de porosité de la couche mésoporeuse 3. Pour une épaisseur donnée, plus le taux de porosité est important et plus les propriétés mécaniques de ladite couche 3 sont faibles. Par ailleurs, du fait du taux de porosité et du poids de la couche poreuse, plus la couche poreuse est épaisse et plus les propriétés mécaniques de ladite couche sont faibles. Ainsi, pour que la structure selon l'invention puisse développer une résistivité et une tenue mécanique suffisante, par exemple pour la réalisation d'un procédé de type Smart Cut dans le cadre de la fabrication de substrats dits eSi (Enhanced Signal Integrity), la couche mésoporeuse 1, selon l'invention, présente avantageusement un taux de porosité Po compris entre 20% et 60% et une épaisseur inférieure à 1 pm. Ainsi, l'épaisseur D de la couche mésoporeuse 1 dépend de la profondeur du dopage de type p, et le taux de porosité dépend de la quantité d'éléments dopant introduit dans la partie supérieure 3 du substrat support en silicium HR 2 et des conditions de réalisation du procédé d'électrolyse. Afin de s'assurer que la porosification par électrolyse de la partie supérieure 3 du substrat support de silicum HR 2 ne dépasse pas la profondeur prédéterminée D, un monitoring de tension est mis en place aux bornes de l'électrolyse, permettant de déterminer lorsque la porosification débute dans le substrat support en silicium HR 2 non dopé, et donc d'arrêter le procédé d'électrolyse. Comme représenté en figure 4, la porosification de la partie supérieure 3 du substrat support en silicium HR 2 doit s'arrêter à la fin de la queue 5 de diffusion des dopants, de manière à ce que la porosité du substrat support de silicium HR 2 soit inférieure à celle de la couche mésoporeuse 1. Ainsi, le procédé de fabrication selon l'invention permet de facilement réaliser la couche mésoporeuse 1 selon une épaisseur D, idéalement inférieure à 1 pm, et un taux de porosité se situant entre 20% et 60%, et ce, en fonction des besoins spécifiques d'une situation industrielle donnée. Un tel procédé permet donc d'éviter le dépôt d'une couche mésoporeuse sur le substrat support en silicium HR 2, pouvant générer différents problèmes techniques à résoudre, mais aussi d'assurer une bonne tenue mécanique de la couche mésoporeuse 1, ainsi que des propriétés de résistivité et d'isolation radiofréquence (RF) performantes pour la structure, et une diminution des pertes électriques de la structure. Qu'en bien même la tenue mécanique serait insuffisante pour les besoins techniques spécifiques d'une future étape, non décrite, d'un procédé de fabrication, une couche, par exemple, de SiN peut être formée afin d'augmenter la rigidité de la couche mésoporeuse et/ou d'assurer une bonne tenue en température de l'ensemble. Une fois le procédé d'électrolyse réalisé, une couche diélectrique 6 est formée sur la couche mésoporeuse 1. La couche diélectrique 6 peut être sélectionnée parmi le dioxyde de silicium, un oxynitrure de silicium ou un nitrure de silicium. Une couche semi-conductrice 7 est ensuite formée sur la couche diélectrique 6. La couche semi-conductrice peut être sélectionnée selon l'un des matériaux sélectionnés dans le groupe comportant Si, Ge, les matériaux IV-IV tels que Si-Ge, les matériaux III-V tels que Gan, GaAs, InP, InGasAs, les matérivax II-VI. Par « couche diélectrique» et par « couche semi-conductrice », on entend une seule et même couche ou plusieurs sous-couches de même nature. Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de mise en oeuvre décrit. On peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention, telle que définie par les revendications. Ainsi, le procédé de fabrication d'une structure selon l'invention permet de contrôler l'épaisseur et le taux de porosité souhaité de la couche mésoporeuse 1 au regard de caractéristiques voulues, et donc d'obtenir une tenue mécanique de la couche mésoporeuse 1 suffisante, contrôler le niveau de résistivité de la structure, et faciliter la fabrication d'une telle structure. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une structure comportant les étapes successives suivantes : - fournir un substrat support de silicium dit de haute résistivité (2) comportant une partie inférieure et une partie supérieure (3) ayant subit un dopage de type p sur une profondeur D ; - former une couche mésoporeuse (1) de silicium dans la partie supérieure (3) dopée du substrat support (2) ; - former une couche diélectrique (6) sur la couche mésoporeuse de silicium (1) ; - former une couche semi-conductrice (7) sur la couche diélectrique (6) ; le procédé de fabrication étant caractérisé en ce que, avant de former la couche diélectrique (6), la couche mésoporeuse (1) de silicium est obtenue par un procédé d'électrolyse de la partie supérieure (3) dopée du substrat support (2) de silicium haute résistivité selon un taux de porosité prédéterminés. 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel la couche mésoporeuse (1) de silicium présente un taux de porosité compris entre 20% et 60%. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel la profondeur D est inférieure à lpm. 4. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel le procédé d'électrolyse du substrat support (2) de silicium haute résistivité est contrôlé par une technique dite de monitoring de tension aux bornes de l'électrolyse. 5. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel une couche de SiN est déposée entre la couche mésoporeuse de silicium (1) et la couche diélectrique (6). 6. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel la couche diélectrique (6) est sélectionnée dans le groupe comportant du dioxyde de silicium, un oxynitrure de silicium ou un nitrure de silicium. 7. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel la couche semi-conductrice (7) est réalisée dans un matériau sélectionné dans le groupe comportant Si, Ge, les matériaux IV-IV tels que Si-Ge, les matériaux III-V tels que Gan, GaAs, InP, InGasAs, les matérivax