Brevet FR3036845A1 — publié le 20161202

PROCEDE DE TRANSFERT D'UNE COUCHE D'UN SUBSTRAT MONOCRISTALLIN DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé de transfert d'une couche d'un substrat monocristallin, dit substrat donneur, sur un autre substrat, dit substrat receveur, et une structure obtenue par un tel procédé. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Des substrats monocristallins, notamment de matériaux semi-conducteurs tels que le silicium, sont couramment utilisés dans le domaine de la microélectronique. De tels substrats sont typiquement obtenus à partir de lingots. Plus précisément, la fabrication de ces substrats comprend : - la croissance d'un lingot à partir d'un germe du cristal, par exemple par la méthode de Czochralski, l'orientation du germe déterminant l'orientation cristalline du lingot, - la découpe du lingot en une pluralité de tronçons, ladite découpe étant réalisée selon des plans sensiblement perpendiculaires à l'axe du lingot, - la formation d'une encoche (« notch » selon la terminologie anglo-saxonne) sur la circonférence de chaque tronçon, ladite encoche s'étendant dans la direction axiale du 20 tronçon, - la découpe de chaque tronçon en une pluralité de tranches, ladite découpe étant réalisée selon des plans sensiblement perpendiculaires à l'axe du tronçon, - la mise en oeuvre d'un traitement de finition des tranches, pouvant comprendre notamment un polissage, un nettoyage, et/ou la formation de chanfreins périphériques, 25 pour former un substrat respectif. Une application d'un tel substrat monocristallin est le transfert d'une couche de ce substrat, dit alors « substrat donneur » sur un autre substrat, dit « substrat receveur ». Une technique connue pour un tel transfert est le procédé Smart CutTM, dans lequel on crée par implantation dans le substrat donneur une zone de fragilisation qui délimite une 30 couche à transférer, on colle le substrat donneur sur le substrat receveur et on détache le substrat le long de la zone de fragilisation, de manière à transférer ladite couche sur le substrat receveur. A l'issue de ce transfert, la surface libre de la couche transférée, qui est opposée à la surface du substrat donneur qui a été collée sur le substrat receveur, présente une forte 35 rugosité qui nécessite des traitements de finition. En effet, cette rugosité influe fortement sur les performances des dispositifs électroniques formés dans ou sur la couche transférée. Par exemple, une rugosité 3036845 2 importante induit une forte variabilité des tensions de seuil des transistors fabriqués dans ou sur cette couche. Pour réparer la surface, il est connu de pratiquer différents traitements de finition, notamment un recuit thermique visant à lisser la surface. 5 Cependant, la rugosité de la couche transférée n'est pas optimale et demande à être réduite de manière à améliorer les performances des dispositifs destinés à être fabriqués dans ou sur la couche transférée. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION 10 Un but de l'invention est de concevoir un procédé de transfert de couche qui permette de réduire de manière significative la rugosité de la surface libre de la couche transférée. L'invention propose donc un procédé de transfert d'une couche d'un substrat monocristallin, dit substrat donneur, sur un substrat receveur, comprenant : 15 - la fourniture dudit substrat donneur monocristallin, ledit substrat présentant une encoche orientée selon une première direction du cristal et une zone de fragilisation délimitant la couche à transférer, - le collage du substrat donneur monocristallin sur le substrat receveur, la surface principale du substrat donneur opposée à la zone de fragilisation par rapport à la couche à transférer étant à l'interface de collage, - le détachement du substrat donneur le long de la zone de fragilisation, Conformément à l'invention, le substrat donneur présente, sur la surface principale collée sur le substrat receveur, un réseau de marches atomiques s'étendant essentiellement dans une seconde direction du cristal différente de ladite première direction. Par « marches atomiques s'étendant essentiellement dans une unique direction du cristal », autrement dit que les marches atomiques sont sensiblement monodimensionnelles, on entend que la longueur des marches dans ladite direction est grande par rapport à la longueur desdites marches dans une direction orthogonale, c'est- à-dire que le rapport entre lesdites longueurs est supérieur ou égal à 2. Par exemple, dans le cas d'un substrat de silicium, on considère que des marches présentant une longueur supérieure à 0,6 pm dans une direction et une longueur inférieure à 0,3 pm dans l'autre sont sensiblement monodimensionnelles. Grâce à ce procédé, lorsque le substrat donneur présente une encoche s'étendant dans une direction telle qu'une inclinaison de la découpe d'un tronçon monocristallin dans ladite direction génèrerait des marches bidimensionnelles à la surface du substrat, on obtient de meilleurs résultats en termes de réparation de la surface libre de la couche transférée provenant du substrat donneur présentant des marches sensiblement 3036845 3 monodimensionnelles que lorsque les marches à la surface du substrat donneur sont bidimensionnelles. De manière avantageuse, la densité d'atomes dans ladite seconde direction est plus grande que dans la première direction. 5 Les marches présentent typiquement une longueur au moins deux fois plus grande dans ladite seconde direction du cristal que dans une autre direction perpendiculaire à ladite seconde direction. Selon un mode de réalisation, l'épaisseur de la couche transférée est supérieure ou égale à 150 nm. 10 De préférence, le substrat donneur présente un réseau cristallin de structure cubique centré, cubique à faces centrées ou diamant. Selon un mode de réalisation, le substrat donneur est obtenu par découpe d'un tronçon de lingot monocristallin, la découpe étant réalisée avec une inclinaison uniquement dans la seconde direction du cristal. 15 Par exemple, une surface principale dudit tronçon est dans un plan de direction normale , l'encoche est orientée avec un angle de 45° par rapport à une direction et la découpe est réalisée avec une inclinaison uniquement dans la direction , de sorte que les marches atomiques s'étendent essentiellement dans ladite direction . 20 Selon un mode de réalisation préféré, le substrat donneur est en silicium. Un autre objet concerne une structure comprenant une couche monocristalline sur un substrat, la couche monocristalline présentant une encoche orientée selon une première direction du cristal, caractérisée en ce que la surface principale de ladite couche monocristalline opposée au substrat présente un réseau de marches atomiques 25 s'étendant essentiellement dans une seconde direction du cristal différente de ladite première direction. Lesdites marches présentent typiquement une longueur au moins deux fois plus grande dans ladite seconde direction du cristal que dans une autre direction perpendiculaire à ladite seconde direction. 30 Selon une forme d'exécution, la couche monocristalline présente un réseau cristallin de structure cubique centré, cubique à faces centrées ou diamant. Selon un mode de réalisation particulier, la couche monocristalline est en silicium. Par exemple, l'encoche est orientée avec un angle de 45° par rapport à une direction du cristal et les marches atomiques s'étendent essentiellement dans 35 ladite direction . Selon un mode de réalisation, l'épaisseur de la couche monocristalline est supérieure ou égale à 150 nm. 3036845 4 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - les figures 1A et 1B sont des vues de dessus d'un tronçon de silicium 5 monocristallin (1 0 0) présentant respectivement une encoche orientée selon une direction du cristal et une encoche orientée à 45° par rapport à ladite direction , - la figure 2A est une vue en perspective de marches monodimensionnelles à la surface d'un substrat de silicium, la figure 2B est une vue en coupe desdites marches, - la figure 3 est une vue en perspective de marches bidimensionnelles à la 10 surface d'un substrat de silicium, - les figures 4A à 40 illustrent des étapes successives du procédé de transfert d'une couche du substrat donneur monocristallin sur un substrat receveur, - les figures 5A et 5B présentent l'amplitude pic-vallée de la surface libre de la couche transférée après l'application d'un recuit de lissage, pour un substrat donneur 15 présentant des marches 2D et des marches 1D, respectivement, - les figures 6A et 6B présentent l'écart-type de la rugosité de la surface libre de la couche transférée après l'application d'un recuit de lissage, pour un substrat donneur présentant des marches 2D et des marches 1D, respectivement. 20 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'invention met à profit un lien établi par les inventeurs entre à la morphologie du réseau cristallin à la surface du substrat monocristallin (marches monodimensionnelles ou bidimensionnelles) et la qualité de réparation de la surface libre de la couche monocristalline transférée. Comme expliqué plus bas, on retrouve sur la surface libre de 25 la couche transférée la même morphologie que sur la surface du substrat monocristallin. Or, les inventeurs ont découvert que la reconstruction du matériau monocristallin au cours de traitements thermiques appliqués après le transfert de la couche du substrat donneur sur le substrat receveur présentait une qualité différente selon la morphologie de la surface libre de la couche transférée. Ces traitements thermiques sont notamment des 30 recuits de lissage impliquant des températures de l'ordre de 1100 à 1250°C. La position de l'encoche par rapport au réseau cristallin du lingot est imposée par l'utilisateur final des substrats comprenant la couche transférée, c'est-à-dire généralement le fabricant de composants électroniques qui vont être formés dans ou sur la couche transférée. 35 Selon les cas, l'encoche peut être orientée dans une direction donnée du cristal (par exemple, dans le cas de silicium (1 0 0), dans la direction ), ou bien dans une direction orientée de 45° par rapport à ladite direction donnée. 3036845 5 L'encoche pouvant présenter une section triangulaire isocèle, l'orientation de l'encoche est définie par la médiane dudit triangle. L'orientation de l'encoche peut être dictée par des impératifs de mobilité des porteurs de charge (ladite mobilité pouvant être différente selon la direction considérée) et/ou par des contraintes liées à un procédé mis 5 en oeuvre ultérieurement (par exemple, une gravure peut donner des résultats différents selon l'orientation cristalline du substrat dans lequel elle est réalisée). Dans d'autres cas, qui sont également couverts par la présente invention, l'encoche consiste en un méplat pratiqué sur la périphérie circulaire du substrat donneur. En pratique, la découpe des tronçons n'est pas réalisée selon un plan 10 correspondant strictement à un plan cristallographique du substrat, mais avec une légère inclinaison selon une ou deux directions orthogonales dudit plan cristallographique. Cette méthodologie de découpe a pour but de contrôler la morphologie de la surface du substrat. Les figures 1A et 1B sont des vues de dessus d'un plan de direction normale 15 d'un tronçon d'un matériau monocristallin de la colonne IV de la classification périodique des éléments (par exemple du silicium ou du germanium), qui présente une structure diamant. Dans le cas de la figure 1A, le tronçon présente une encoche N orientée dans une direction cristallographique , c'est-à-dire une direction selon laquelle sont 20 orientées les liaisons covalentes du cristal. Dans le cas de la figure 1B, le tronçon présente une encoche orientée à 45° (c'est-à-dire selon une direction ) par rapport aux directions cristallographiques , qui sont représentées par les axes orthogonaux X et Y. L'encoche n'est pas représentée à l'échelle pour des raisons de lisibilité des figures. 25 Lors de la fabrication des substrats, l'inclinaison de la découpe par rapport à la normale au plan cristallin est spécifiée pour chacun des axes X et Y. Lorsque l'inclinaison n'existe que dans l'axe X (l'inclinaison étant donc nulle selon l'axe Y), la surface S du substrat présente une succession de marches - dont la hauteur h correspond généralement au paramètre de maille du matériau du substrat -, qui 30 s'étendent parallèlement à l'axe Y dans la direction X, comme illustré sur les figures 2A (en perspective) et 2B (en coupe). On parle alors de marches monodimensionnelles (désignées par l'abréviation 1D). Plus l'angle d'inclinaison a est important, plus la longueur I des marches dans la direction X est faible. Lorsqu'il existe une inclinaison selon les deux axes X et Y, la surface S du substrat 35 présente un réseau de marches bidimensionnelles (2D), qui s'étendent parallèlement aux deux axes X et Y, comme illustré sur la figure 3. Comme indiqué plus haut, plus l'angle d'inclinaison est important selon un axe, plus la longueur des marches dans cette direction est faible. 3036845 6 Lorsque le substrat est destiné à recevoir une couche épitaxiale, on privilégie une surface présentant des marches 1D [1]. En effet, les marches 2D présentent, à l'intersection entre des bords perpendiculaires desdites marches, des points singuliers qui peuvent générer des défauts dans la couche épitaxiale. 5 Par conséquent, la découpe est généralement réalisée avec une inclinaison selon un unique axe, l'inclinaison selon l'autre axe étant sensiblement nulle. Or, il s'avère que la découpe des tronçons est indexée sur l'encoche, c'est-à-dire que le fabricant de substrats ne considère pas comme axes X, Y les directions cristallographiques mais l'axe de l'encoche et un axe orthogonal à ladite encoche. 10 Lorsque l'encoche est orientée selon une direction cristallographique pour laquelle la découpe génère des marches 1D (cas de la figure 1A), l'inclinaison de la découpe a lieu selon ladite direction. On obtient donc un réseau de marches 1D tel que schématisé sur la figure 2A. En revanche, lorsque l'encoche est orientée à 45° par rapport à une direction 15 cristallographique pour laquelle la découpe génère des marches 1D (cas de la figure 1B), la surface du substrat obtenu après découpe présente un réseau de marches 2D tel que schématisé sur la figure 3. Les inventeurs ont observé qu'il était, de manière surprenante, plus facile de réparer la surface de la couche transférée lorsque le substrat donneur avait été découpé avec 20 une inclinaison selon une direction du cristal procurant des marches 1D que lorsqu'il avait été découpé avec une inclinaison selon une unique direction correspondant à l'orientation de l'encoche (procurant alors des marches 2D). Ce phénomène semble s'expliquer par le fait que la surface libre de la couche monocristalline après son transfert sur le substrat receveur présente un réseau de 25 marches similaires à celui de la surface du substrat donneur, qui correspond à la surface opposée à la surface libre. En d'autres termes, la surface libre de la couche transférée présente la même inclinaison que la surface opposée provenant de la découpe d'un tronçon monocristallin, l'ensemble du monocristal étant désorienté du fait de l'inclinaison de la découpe. 30 Par ailleurs, la morphologie de la surface libre de la couche monocristalline influe sur la qualité de la réparation de la surface obtenue par un recuit de lissage. En effet, la rugosité résultant d'un recuit de lissage est sensiblement plus élevée lorsque ladite surface présente un réseau de marches 2D que lorsqu'elle présente un réseau de marches 1D. 35 Une telle influence de la morphologie sur la qualité de la réparation était inattendue dans la mesure où la rugosité haute fréquence de la surface libre de la couche transférée après fracture est très importante quelle que soit la morphologie de la surface principale du substrat donneur (cette dernière étant assimilable à une rugosité basse fréquence). 3036845 7 Le transfert met en oeuvre les étapes suivantes. En référence à la figure 4A, on fournit un substrat donneur 1 présentant une zone de fragilisation 10 délimitant la couche 11 à transférer. Le substrat donneur 1 est monocristallin et présente une encoche (non représentée) orientée selon une direction 5 selon laquelle une inclinaison de la découpe génèrerait des marches 2D, typiquement orientée à 45° par rapport à une direction du cristal selon laquelle une inclinaison de la découpe génèrerait des marches 1D. Le substrat donneur 1 n'est pas nécessairement massif : il peut comprendre un empilement de différents substrats monocristallins ou non, dont l'un au moins inclut la couche monocristalline à transférer, ce dernier substrat 10 présentant ladite encoche. Par exemple, dans le cas d'un substrat d'un matériau monocristallin de la colonne IV de la classification périodique des éléments (par exemple du silicium ou du germanium), qui présente une structure diamant, de direction normale , l'encoche est orientée à 45° par rapport à une direction , c'est-à-dire qu'elle est orientée selon une 15 direction , et la découpe est effectuée selon la direction . Le substrat donneur présente, sur sa surface principale 12 opposée à la zone de fragilisation par rapport à la couche à transférer, un réseau de marches atomiques sensiblement monodimensionnelles, c'est-à-dire s'étendant essentiellement dans une unique direction du cristal. 20 A cet effet, le substrat donneur est obtenu par une découpe d'un tronçon de lingot monocristallin, réalisée avec une inclinaison dans une unique direction du cristal choisie pour générer des marches 1D. Cette mesure va donc à l'encontre de la pratique habituelle d'incliner la découpe par rapport à l'encoche, ce qui génère des marches 2D. La zone de fragilisation est avantageusement formée par implantation d'espèces 25 atomiques à une profondeur déterminée du substrat donneur, afin de mettre en oeuvre le procédé Smart CutTM. On pourra à cet égard se référer au document US 5,374,564. Toutefois, d'autres techniques de fragilisation du substrat donneur peuvent être mises en oeuvre, notamment le procédé ELTRANTm tel que décrit dans le document US 2003/0087503. 30 En référence à la figure 4B, on colle le substrat donneur 1 sur un substrat receveur 2, la surface principale 12 du substrat donneur opposée à la zone de fragilisation par rapport à la couche à transférer et présentant les marches sensiblement monodimensionnelles étant à l'interface de collage. Le substrat donneur et/ou le substrat receveur peuvent éventuellement être recouverts, du côté de l'interface de collage, d'une 35 couche de diélectrique. La mise en contact des substrats donneur et receveur peut être suivie d'un traitement thermique de renforcement de l'adhésion. 3036845 8 En référence à la figure 40, on détache le substrat donneur le long de la zone de fragilisation. A l'issue de cette étape, la couche 11 reste collée sur le substrat receveur 2, le reliquat 13 du substrat donneur étant séparé et éventuellement réutilisé. Le détachement peut être réalisé en fracturant le substrat donneur au niveau de la zone de 5 fragilisation, ladite fracture pouvant être générée par exemple mécaniquement ou thermiquement. La surface libre 14 de la couche 11 transférée sur le substrat receveur 2 présente des marches atomiques monodimensionnelles, similaires aux marches atomiques observées sur la surface principale 12 du substrat donneur. 10 L'épaisseur de la couche transférée est typiquement supérieure ou égale à 150 nm. Ensuite, on met en oeuvre un recuit thermique visant à lisser la surface libre de la couche transférée (étape non illustrée). Ce recuit est mis en oeuvre à une température comprise entre 1100 et 1250°C pendant une durée de quelques minutes. Eventuellement, d'autres étapes de finition de la surface libre de la couche 15 transférée peuvent être mises en oeuvre, telles qu'un polissage, un nettoyage, etc. Comme on peut le voir sur les figures 5A-5B et 6A-6B, le recuit de lissage est beaucoup plus performant sur une surface libre présentant le réseau de marches monodimensionnelles obtenues avec l'invention que dans le cas où la surface libre présente un réseau de marches bidimensionnelles. 20 Les figures 5A et 5B présentent l'amplitude pic-vallée de la rugosité de la surface libre de la couche transférée après l'application d'un recuit de lissage tel que décrit ci-dessus, pour un substrat donneur de silicium de direction normale présentant des marches 2D (le tronçon de lingot ayant été découpé dans la direction de l'encoche orientée à 45° par rapport à une direction générant des marches 1D) et des marches 1D 25 (le tronçon de lingot ayant été découpé, conformément à l'invention, selon une unique direction du cristal générant des marches 1D, donc à 45° par rapport à l'orientation de l'encoche), respectivement. La mesure de rugosité est réalisée par la technique DRM (acronyme du terme anglo-saxon « Differential Reflectometry Microscopy ») en champ 88 x66 pm2. 30 Ce pic-vallée moyen est de 9,27 Â dans le cas des marches 2D et de 7,49 Â dans le cas des marches 1D, soit une réduction de 20% grâce à l'invention. Les figures 6A et 6B présentent l'écart-type de la rugosité de la surface libre de la couche transférée après l'application d'un recuit de lissage, pour un substrat donneur présentant des marches 2D et des marches 1D, respectivement. 35 L'écart-type moyen est de 1,19 Â dans le cas des marches 2D et de 0,99 Â dans le cas des marches 1D, soit une réduction d'environ 17% grâce à l'invention. 3036845 REFERENCES [1] US 2009/0304994 US 5,374,564 US 2003/0087503. 9 5 REVENDICATIONS1. Procédé de transfert d'une couche (11) d'un substrat monocristallin, dit substrat donneur (1), sur un substrat receveur (2), comprenant : - la fourniture dudit substrat donneur monocristallin (1), ledit substrat présentant une encoche orientée selon une première direction du cristal et une zone de fragilisation (10) délimitant la couche (11) à transférer, - le collage du substrat donneur monocristallin (1) sur le substrat receveur (2), la surface principale (12) du substrat donneur opposée à la zone de fragilisation (10) par rapport à la couche à transférer (11) étant à l'interface de collage, - le détachement du substrat donneur (1) le long de la zone de fragilisation (10), ledit procédé étant caractérisé en ce que le substrat donneur (1) présente, sur la surface principale (12) collée sur le substrat receveur (2), un réseau de marches atomiques s'étendant essentiellement dans une seconde direction du cristal différente de ladite première direction. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la densité d'atomes dans ladite seconde direction est plus grande que dans la première direction. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdites marches présentent une longueur au moins deux fois plus grande dans ladite seconde direction du cristal que dans une autre direction perpendiculaire à ladite seconde direction. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche (11) transférée est supérieure ou égale à 150 nm. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le substrat donneur (1) présente un réseau cristallin de structure cubique centré, cubique à faces centrées ou diamant. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le substrat donneur (1) est obtenu par découpe d'un tronçon de lingot monocristallin, la découpe étant réalisée avec une inclinaison uniquement dans la seconde direction du cristal. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une surface principale dudit tronçon est dans un plan de direction normale , l'encoche est orientée avec un angle de 45° par rapport à une direction et la découpe est réalisée avec une 3036845 11 inclinaison uniquement dans la direction , de sorte que les marches atomiques s'étendent essentiellement dans ladite direction . 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le substrat 5 donneur (1) est en silicium. 9. Structure comprenant une couche monocristalline (11) sur un substrat (2), la couche monocristalline (11) présentant une encoche orientée selon une première direction du cristal, caractérisée en ce que la surface principale (14) de ladite couche 10 monocristalline opposée au substrat (2) présente un réseau de marches atomiques s'étendant essentiellement dans une seconde direction du cristal différente de ladite première direction. 10. Structure selon la revendication 9, caractérisée en ce que lesdites marches 15 présentent une longueur au moins deux fois plus grande dans ladite seconde direction du cristal que dans une autre direction perpendiculaire à ladite seconde direction. 11. Structure selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce que la couche monocristalline (11) présente un réseau cristallin de structure cubique centré, 20 cubique à faces centrées ou diamant.. 12. Structure selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisée en ce que la couche monocristalline (11) est en silicium. 25 13. Structure selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisée en ce que l'encoche est orientée avec un angle de 45° par rapport à une direction du cristal et les marches atomiques s'étendent essentiellement dans ladite direction . 14. Structure selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisée en ce que 30 l'épaisseur de la couche monocristalline (11) est supérieure ou égale à 150 nm.