Brevet FR3040530A1 — publié le 20170303

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE TRANCHE SOI ET TRANCHE SOI DOMAINE TECHNIQUE La présente divulgation concerne un procédé de fabrication d'une tranche SOI et une tranche SOI. ARRIERE-PLAN Une tranche de silicium sur isolant (SOI) comporte structurellement un substrat support, au-dessus duquel un film isolant, par exemple, d'oxyde de silicium (SiO2), et une couche de silicium monocristallin utilisée en tant que couche active de dispositif sont formés dans cet ordre. Un procédé de liaison est l'un parmi des procédés typiques de fabrication d'une tranche SOI. Le procédé de liaison est un procédé de fabrication d'une tranche SOI par formation d'un film d'oxyde (une couche d'oxyde enterrée [BOX]) sur au moins l'un du substrat support et du substrat à utiliser en tant que couche active, et ensuite par superposition de ces substrats l'un sur l'autre via le film d'oxyde et le fait de soumettre les substrats superposés à un traitement thermique de liaison à une température élevée d'approximativement 1 200 °C. Des technologies ont été proposées pour conférer une capacité de getterisation d'impureté métallique à la tranche SOI ainsi obtenue. Le Document de brevet 1 décrit un procédé de fabrication de tranche SOI liée, comportant l'implantation d'ions sur un substrat à utiliser en tant que couche active pour former une région de contrainte (un site de getterisation), puis la formation du film d'oxyde sur le substrat à utiliser en tant que couche active ou sur le substrat support selon un procédé d'oxydation thermique, et ensuite la superposition des deux substrats et le fait de soumettre les substrats superposés à un traitement thermique de liaison. Liste de citations Document de brevet DB 1 : JPH 0 878 644 A RESUME Cependant, des études sérieuses menées par le présent inventeur ont révélé qu'une tranche SOI liée obtenue selon le procédé de fabrication du Document de brevet 1 ne présente pas une capacité de getterisation suffisante. En outre, il est révélé que, dans une tranche SOI liée obtenue selon le procédé de fabrication du 3040530 2 Document de brevet 1, la résistance varie de façon significative à proximité d'une interface de la couche active par rapport au film d'oxyde, et cela provoque une répartition de résistivité non uniforme de la couche active dans sa direction d'épaisseur. La répartition de résistivité non uniforme conduit à la présence d'un 5 courant de fuite entre des matériaux de type p et de type n dans une jonction p-n formée dans un procédé de dispositif, pouvant se traduire par une détérioration des caractéristiques de dispositif. En outre, dans la formation du film d'oxyde selon le procédé d'oxydation thermique, une longue période de temps est nécessaire pour augmenter l'épaisseur du 10 film d'oxyde. Bien qu'une façon envisagée pour empêcher un courant de fuite de s'écouler entre des dispositifs via le film d'oxyde consiste à augmenter l'épaisseur du film d'oxyde, il faut 1 mois ou plus pour former un film d'oxyde en une épaisseur de 5 à 10 1,tm selon le procédé d'oxydation thermique. De plus, le traitement thermique de liaison nécessite une longue période. En conséquence, le procédé de fabrication 15 selon le Document de brevet 1 est également confronté au problème de faible productivité. Au vu des problèmes ci-dessus, la présente divulgation vise à proposer un procédé de fabrication d'une tranche SOI qui permet la production d'une tranche SOI ayant une capacité élevée de getterisation et une petite variance de résistance dans la 20 direction d'épaisseur de la couche active, à une productivité élevée. Le présent inventeur a mené des études sérieuses pour résoudre les problèmes ci-dessus et a découvert ce qui suit. Dans la suite, l'une de deux tranches de silicium liées ensemble qui comporte une portion constituant finalement la couche active de la tranche SOI est dénommée le « substrat à utiliser en tant que couche active » ou le 25 « premier substrat », et l'autre des deux tranches de silicium qui constitue une portion de support de la tranche SOI est dénommée le « substrat support » ou le « second substrat ». (A) Lorsqu'un film d'oxyde est formé sur le substrat à utiliser en tant que couche active selon le procédé d'oxydation thermique, approximativement 45 % du 30 film d'oxyde formé sont constitués de Si selon une relation entre SiO2 et Si en termes de densité et du nombre de molécules, et par conséquent, une portion superficielle du substrat à utiliser en tant que couche active est consommée par une épaisseur correspondant à approximativement 45 % de l'épaisseur du film d'oxyde formé. En 3040530 3 conséquence, lorsque le film d'oxyde est formé sur le substrat, à utiliser en tant que couche active, qui comporte une couche d'implantation ionique (couche de getterisation) dans la portion superficielle selon le procédé d'oxydation thermique, la couche d'implantation ionique dans la portion superficielle disparaît. Cela peut 5 signifier l'infaisabilité de la capacité de getterisation. Ce problème s'applique également lorsque la couche d'implantation ionique est formée sur le substrat support et ensuite, un film d'oxyde est formé de façon similaire sur le substrat support. En outre, lorsqu'un film d'oxyde est formé à la fois sur le substrat à utiliser en tant que couche active et le substrat support selon le 10 procédé d'oxydation thermique pour produire la tranche SOI comportant un film total d'oxyde épais en peu de temps, quel que soit celui des substrats la couche d'implantation ionique est formée, la couche d'implantation ionique est censée disparaître, comme on peut le comprendre. (B) Même lorsque la couche d'implantation ionique est formée sur le substrat 15 à utiliser en tant que couche active, en formant ensuite un film d'oxyde sur le substrat support selon le procédé d'oxydation thermique, cela empêche la couche d'implantation ionique de disparaître. Cependant, le présent inventeur a découvert que le phénomène suivant se produit dans ce cas. A savoir, dans le procédé de formation du film d'oxyde sur le substrat support selon le procédé d'oxydation 20 thermique, l'oxygène diffusé dans le substrat support aboutit à la création d'une région de SiOx (x 5 On a contaminé intentionnellement une surface de la couche active de la tranche SOI selon chacun des exemples comparatifs et des exemples avec un liquide contaminé par Ni (1,0 x 1012/cm2) selon le procédé de contamination par dépôt à la tournette, et ensuite, on l'a soumise à un traitement thermique à 900 °C pendant 1 heure sous une atmosphère d'azote. Après cela, on a immergé l'échantillon dans 10 une solution de Wright pendant 3 minutes, et ensuite, on a observé la présence de piqûres (piqûres de siliciure de Ni) par un microscope optique. Le tableau 1 montre un résultat de l'évaluation. 15 Pour chacun des exemples comparatifs et des exemples, après la formation d'un film d'oxyde (après la liaison), on a mesuré un profil de concentration d'un élément implanté dans la direction d'épaisseur du substrat implanté avec des ions selon le procédé de spectrométrie de masse d'ions secondaires (SIMS). Le tableau 1 montre la présence d'un pic de l'élément implanté. En tant qu'exemples 20 représentatifs, les profils de concentration de l'exemple comparatif 1 et de l'exemple 1 sont illustrés sur la figure 10A, les profils de concentration de l'exemple comparatif 2 et de l'exemple 2 sont illustrés sur la figure 11A, et le profil de concentration de l'exemple 4 est illustré sur la figure 13A 25 Pour chacun des exemples comparatifs et des exemples, on a mesuré un profil de concentration de dopant (phosphore) dans la direction d'épaisseur de la couche active de la tranche SOI selon SIMS. Comme exemples représentatifs, les profils de concentration de l'exemple comparatif 2 et de l'exemple 2 sont illustrés sur la figure 11B, les profils de concentration de l'exemple comparatif 3 et de l'exemple 3 30 sont illustrés sur la figure 12A, et les profils de concentration de l'exemple comparatif 4 et de l'exemple 4 sont illustrés sur la figure 13B. 3040530 27 Pour chacun des exemples comparatifs et des exemples, on a mesuré la résistivité dans la couche active de la tranche SOI par le procédé de profilage de résistance distribuée (SR), et on a calculé la non-uniformité, c'est-à-dire [(la valeur 5 maximale - la valeur minimale)/(la valeur minimale) x 100} (%), de répartition de résistivité dans la direction d'épaisseur du substrat à utiliser en tant que couche active. Le résultat est montré dans la colonne « variation de résistance » dans le tableau 1. En outre, comme exemples représentatifs, les répartitions de résistivité de l'exemple comparatif 1 et de l'exemple 1 sont illustrées sur la figure 10B, les 10 répartitions de résistivité de l'exemple comparatif 2 et de l'exemple 2 sont illustrées sur la figure 11C, les répartitions de résistivité de l'exemple comparatif 3 et de l'exemple 3 sont illustrées sur la figure 12B, et les répartitions de résistivité de l'exemple comparatif 4 et de l'exemple 4 sont illustrées sur la figure 13C. (Description de résultat d'évaluation) 15 Comme l'illustrent les figures 10A et 13A, dans l'exemple comparatif 1, le pic de l'élément implanté a disparu puisque le film d'oxyde était formé selon le procédé d'oxydation thermique sur le substrat dans lequel une couche modifiée était formée par implantation ionique, tandis que dans l'exemple 1, le pic de l'élément implanté n'a pas disparu puisque le film d'oxyde était formé selon le procédé de 20 dépôt par ionisation. En conséquence, bien que des piqûres soient observées sur une surface de la couche active dans l'exemple comparatif 1, des piqûres n'ont pas été observées sur une surface de la couche active dans l'exemple 1, qui présentait une capacité élevée de getterisation. Ensuite, l'exemple comparatif 2 est une tranche SOI fabriquée selon le 25 déroulement illustré sur la figure 7. A savoir, on a implanté des ions d'élément léger sur une surface du substrat 10 à utiliser en tant que couche active pour former la couche modifiée 12 dans le substrat 10 à utiliser en tant que couche active, et on a formé le film d'oxyde 18 sur des surfaces du substrat support 20 selon le procédé d'oxydation thermique, et ensuite, on a lié le substrat 10 à utiliser en tant que couche 30 active et le substrat support 20 selon le traitement thermique de liaison, puis, on a aminci le substrat 10 à utiliser en tant que couche active pour obtenir la couche active 22. Dans ce cas, comme l'illustre la figure 11A, le pic de l'élément implanté n'a pas disparu, et des piqûres n'ont pas été observées sur une surface de la couche 3040530 28 active. Cependant, comme l'illustre la figure 7, une couche 16 de résistance variable est formée à proximité du substrat support par rapport au film d'oxyde en raison du procédé d'oxydation thermique, et après liaison, une couche 18 de résistance variable est également formée à proximité du substrat à utiliser en tant que couche active par 5 rapport au film d'oxyde. Des résultats qui confirment le fait ci-dessus sont montrés en tant que variations de résistance illustrées sur les figures 11B et 11C et dans le tableau 1. La figure 11C indique que la résistivité est variée de façon significative à proximité de la couche active par rapport au film d'oxyde dans l'exemple comparatif 2. Bien que la figure 11B indique qu'un dopant a diffusé vers le film 10 d'oxyde suite au traitement thermique de liaison, la variance de résistivité illustrée sur la figure 11C est bien supérieure à l'influence de la diffusion. Dans les exemples comparatifs 3 et 4, bien qu'une variance de résistance significative telle que celle dans l'exemple comparatif 2 n'ait pas été observée puisque les films d'oxyde étaient formés selon le procédé de dépôt par ionisation, des 15 variances de résistance dues à une diffusion thermique d'un dopant ont été observées puisque la liaison était réalisée selon le traitement thermique de liaison (voir les variations de résistance sur les figures 12B et 13C et dans le tableau 1). Par ailleurs, dans chacun des exemples 1 à 7, le pic de l'élément implanté n'a pas disparu, des piqûres n'ont pas été observées sur une surface de la couche active, 20 une capacité élevée de getterisation était présentée, et une variance de résistance dans la direction d'épaisseur de la couche active était petite. On a mené une mesure de rupture diélectrique de temps zéro (TZDB) sur la tranche SOI selon l'exemple 6 avec un courant d'évaluation de 1 x 10-4 A/cm2. 25 Comme détails d'un procédé de la mesure, on a traité la couche active formée au-dessus d'un film d'oxyde selon une forme d'îlot avec des côtés de 1,8 mm par photolithographie et traitement de gravure, et, avec l'îlot traité servant d'électrode et avec le côté de substrat support réglés à zéro (0) V, on a appliqué une tension à l'électrode en augmentant la tension à partir de 0 V par incréments de pas de 0,1 V. 30 On a défini une valeur de courant par aire unitaire obtenue en divisant une valeur de courant mesurée par une aire d'électrode en tant que courant d'évaluation. En outre, on a préparé des tranches SOI qui sont les mêmes que dans l'exemple 6 à l'exception de ce que l'on a changé les températures des substrats pendant la formation des films 3040530 29 d'oxyde à 300 °C, 400 °C, 800 °C, 900 °C et 1 000 °C, et on a évalué de façon similaire les caractéristiques de résistance à la pression des films d'oxyde. Le tableau 2 montre un résultat de l'évaluation. 5 [Tableau 2] Température de substrat (°C) Valeur de mesure TZDB(MV/cm2) 300 1,2 400 4,5 500 8,3 800 9,7 900 11,2 1000 15,1 Applicabilité industrielle La présente divulgation propose un procédé de fabrication d'une tranche SOI qui permet la production d'une tranche SOI ayant une capacité élevée de 10 getterisation et une petite variance de résistance dans la direction d'épaisseur de la couche active, à productivité élevée. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une tranche SOI, comprenant : une première étape d'implantation d'ions d'élément léger sur une-surface d'au moins l'un d'un premier substrat réalisé en monocristal de silicium et d'un second substrat réalisé en monocristal de silicium pour former, dans le au moins l'un du premier substrat et du second substrat, une couche modifiée dans laquelle les ions d'élément léger sont présents en solution solide ; une deuxième étape de formation d'un film d'oxyde sur une surface d'au moins l'un du premier substrat et du second substrat ; une troisième étape de liaison du premier substrat et du second substrat de manière à ce que la couche modifiée et le film d'oxyde soient situés entre le premier substrat et le second substrat ; et une quatrième étape, effectuée après la troisième étape, d'amincissement du premier substrat pour obtenir une couche active, dans lequel, à la deuxième étape, le film d'oxyde est déposé par accélération et émission de Si et d'oxygène ionisés sur le au moins l'un du premier substrat et du second substrat tout en chauffant le au moins l'un du premier substrat et du second substrat, et à la troisième étape, le premier substrat et le second substrat sont liés ensemble à une température normale par émission d'un faisceau ionique ou d'un faisceau atomique neutre sur des surfaces à lier du premier substrat et du second substrat sous vide pour activer les surfaces et ensuite par mise en contact des surfaces à lier l'une avec l'autre sous vide. 2. Procédé de fabrication d'une tranche SOI selon la revendication 1, dans lequel, à la deuxième étape, le au moins l'un du premier substrat et du second substrat a une 25 température de 500 °C à 900 °C. 3. Procédé de fabrication d'une tranche SOI selon la revendication 1 ou 2, dans lequel, à la première étape, la couche modifiée est formée uniquement dans le second substrat. 30 3040530 31 4. Procédé de fabrication d'une tranche SOI selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel, à la deuxième étape, le film d'oxyde est formé uniquement sur le second substrat. 5. Procédé de fabrication d'une tranche SOI selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel, à la deuxième étape, le film d'oxyde est formé à la fois sur le premier substrat et le second substrat. 6. Procédé de fabrication d'une tranche SOI selon l'une quelconque des 10 revendications 1 à 5, dans lequel le premier substrat est une tranche de silicium épitaxiale comportant un substrat de silicium massif et une couche épitaxiale de silicium formée sur une surface du substrat de silicium massif, et, à la quatrième étape, le substrat de silicium massif est éliminé pour obtenir la couche active formée par la couche épitaxiale de silicium. 15 7. Procédé de fabrication d'une tranche SOI selon la revendication 6, dans lequel une surface de la couche épitaxiale de silicium est polie miroir avant la troisième étape. 8. Procédé de fabrication d'une tranche SOI selon la revendication 6 ou 7, dans 20 lequel la couche épitaxiale de silicium dans le premier substrat a une épaisseur qui est déterminée compte tenu d'une épaisseur souhaitée de la couche active et d'une épaisseur d'une région de diffusion d'oxygène formée par diffusion d'oxygène à partir du substrat de silicium massif dans la couche épitaxiale de silicium, et à la quatrième étape, la région de diffusion d'oxygène dans la couche épitaxiale de silicium est également éliminée. 9. Procédé de fabrication d'une tranche SOI selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les ions d'élément léger comprennent au moins un 30 élément choisi parmi H, He, C, Ar et Si. 10. Tranche SOI comprenant un substrat support réalisé en monocristal de silicium, un film d'oxyde situé au-dessus du substrat support, et une couche active située au- 3040530 32 dessus du film d'oxyde et réalisée en monocristal de silicium, la tranche SOI comprenant en outre : une couche modifiée dans laquelle un élément léger est présent en solution solide, la couche modifiée étant située à proximité d'une interface d'au moins l'un de la 5 couche active et du substrat support par rapport au film d'oxyde, dans laquelle la couche active dans une de sa direction d'épaisseur présente une répartition de résistivité dans laquelle {(valeur maximale - valeur minimale)/(valeur minimale) x 100} est de 20 % ou moins. 10 11. Tranche SOI selon la revendication 10, dans laquelle un résultat de mesure TZDB effectuée sous un courant d'évaluation de 1 x 104 A/cm2 est de 8 MV/cm2 ou plus. 12. Tranche SOI selon la revendication 10 ou 11, dans laquelle la couche modifiée 15 est située uniquement à proximité de l'interface du substrat support par rapport au film d'oxyde. 13. Tranche SOI selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, dans laquelle le film d'oxyde a une épaisseur de 10 ktm ou plus. 20 14. Tranche SOI selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, dans laquelle la couche active est composée d'une couche épitaxiale de silicium. 15. Tranche SOI selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, dans laquelle 25 l'élément léger comprend au moins un élément choisi parmi H, He, C, Ar et Si.