Brevet FR3046877A1 — publié le 20170721

PROCEDE DE LISSAGE DE LA SURFACE D'UNE STRUCTURE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une structure comprenant successivement une couche utile semiconductrice, une couche diélectrique et un substrat support. Elle concerne en particulier un procédé de lissage de la surface de la couche utile. Ces structures trouvent notamment leur application dans les domaines de la microélectronique, de la micromécanique, de la photonique, etc. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION On connaît de l'état de la technique différents procédés permettant de former une structure intermédiaire comprenant en succession une couche superficielle semi-conductrice, une couche diélectrique, et un substrat support. Il peut s'agir par exemple de procédés de fabrication par transfert de couche (tels que les procédés connus sous les dénominations Smart CutTM ou EltranTM) ou encore du procédé de fabrication par implantation d'oxygène (et connu sous l'acronyme SIMOX : Séparation par implantation d'oxygène). Cette structure intermédiaire, au cours d'une étape suivante de finition, subit différents traitements afin de transformer la couche superficielle en une couche utile présentant toutes les caractéristiques attendues notamment en terme d'épaisseur moyenne, d'uniformité d'épaisseur, de rugosité, de qualité cristalline, etc. Ces procédés connus sont notamment employés pour la fabrication de structures de silicium sur isolant (SOI pour « Silicon on Insulator » selon la terminologie anglo-saxonne). Dans ce cas, la couche superficielle qui deviendra la couche utile et le support sont typiquement constitués de silicium et la couche diélectrique de dioxyde de silicium. Ces structures SOI doivent respecter des spécifications très précises. C'est notamment le cas pour la rugosité finale de la 40 couche utile et les uniformités d'épaisseur de la couche utile 3046877 2 et de la couche diélectrique sous-jacente. Le respect de ces spécifications est requis pour le bon fonctionnement des dispositifs semi-conducteurs qui seront formés dans et sur la couche utile. 5 Parmi les traitements usuels de finition appliqués à une structure intermédiaire, on connaît les traitements de recuit lissant consistant à exposer la couche superficielle à une atmosphère neutre ou réductrice portée à une température élevée, 10 typiquement supérieure à 1100°C. Ce traitement permet entre autres, par reconstruction de surface, de réduire la rugosité de la couche exposée à l'atmosphère haute température. Ces recuits peuvent être effectués dans des fours aptes à 15 traiter une pluralité de structures SOI simultanément, sous un flux de gaz neutre ou réducteur contrôlé pour favoriser l'homogénéité thermique du four. Ce gaz est filtré afin d'être extrêmement pur (moins de 1 ppm d'impuretés) car tout contaminant (02, H20, CO2...) susceptible de réagir avec le 20 silicium perturbe le lissage de surface. Un lissage imparfait est caractérisé par un niveau de rugosité résiduel ou non uniforme à la surface de la couche utile. Rappelons que les mesures de rugosité sont généralement effectuées grâce à un microscope à force atomique (AFM selon 25 l'acronyme correspondant à l'appellation anglo-saxonne de « Atomic Force Microscope »). Avec ce type d'appareil, la rugosité est mesurée sur des surfaces balayées par la pointe du microscope AFM, allant de 1x1 pm2 à 10x10 pm2 et plus rarement 50x50 pm2, voire 100x100 pm2. Il est également possible de 30 mesurer la rugosité de surface par d'autres méthodes, en particulier par le biais d'une mesure de « haze » selon la terminologie anglo-saxonne répandue. Cette méthode présente notamment l'avantage de caractériser rapidement l'uniformité de la rugosité sur toute la surface de la couche utile. Ce 35 « haze », mesuré en ppm, est issu d'une méthode utilisant les propriétés de réflectivité optique de la surface à caractériser, et correspond à un signal optique diffusé par la surface, en raison de sa microrugosité. On précise que les valeurs de « haze » qui seront exposées dans ce texte sont exprimées en unités arbitraires et ont été effectuées selon un même protocole 3046877 3 et par un même dispositif, en l'occurrence par un instrument de type KLA Tencor Surfscan SP (marque déposée). Dans les gammes de températures élevées et de temps de 5 recuit utilisés pour lisser les surfaces des structures SOI dont la couche superficielle est fine, un phénomène de dissolution de la couche d'oxyde sous-jacente est susceptible de se produire. Le phénomène de dissolution est notamment reporté dans le document « Novel trends in SOI Technology for CMOS 10 applications » de O. Kononchuck et Al. paru dans la revue Solid State Phenomena, volume 156 - 158 (2010) p 69 à 76. Ce document explique en effet que, dans l'atmosphère de traitement neutre ou réductrice à haute température, les atomes d'oxygène de la couche diélectrique sont susceptibles de diffuser à travers la 15 couche superficielle et de réagir avec la surface de celle-ci pour produire des espèces volatiles (monoxyde de silicium gazeux SiO) qui sont évacuées dans l'atmosphère du four par le flux de gaz neutre. Ce document explique également que pour des structures SOI présentant une couche superficielle fine, la 20 diffusion de l'oxygène à travers la couche superficielle est limitée par la capacité d'évacuation des espèces volatiles de la surface de la structure, et donc que l'ampleur du phénomène de dissolution est localement liée à la vitesse de gaz de l'atmosphère du four à proximité de la surface. 25 Si le monoxyde de silicium gazeux (SiO) s'accumule à la surface de la couche superficielle pendant le traitement thermique, il freine donc localement la dissolution, entrainant des différences d'épaisseur de la couche superficielle et de la couche diélectrique sur le produit final, ce qui est 30 particulièrement dommageable. Afin de limiter l'accumulation locale de SiO, il est nécessaire de maintenir un flux important de gaz dans le four, car le SiO est justement évacué via le flux de gaz neutre ou réducteur circulant dans le four. 35 La demanderesse a remarqué que malgré l'uniformité et la pureté contrôlées du flux de gaz dans le four lors d'un traitement thermique de lissage à température élevée et sous un fort flux de gaz neutre ou réducteur, certaines structures SOI présentent des niveaux de « haze » supérieurs au niveau attendu. 40 C'est en particulier vrai sur les bords de ces structures, comme 3046877 4 illustré en figure 1. Des zones périphériques 100 de rugosité résiduelle élevée sont présentes sur la couche utile : elles se traduisent sur la cartographie de « haze » de la figure 1 par des zones plus sombres, représentatives d'une plus forte 5 rugosité (notons que la partie centrale de la cartographie présente des régions plus sombres en forme d'ailes de papillon, également nommé « haze cross », qui ne correspondent pas à une plus forte rugosité mais à un artefact du mode de mesure utilisé). Les zones périphériques 100 sont un problème pour le 10 produit final pour lequel la rugosité de surface et son uniformité à la surface de la structure SOI sont des paramètres clé. Ainsi, un recuit de lissage selon l'état de l'art permet de 15 lisser globalement la surface des structures SOI, en garantissant une bonne uniformité d'épaisseur des structures SOI finales (grâce à une évacuation suffisante des espèces volatiles liées à la dissolution) mais génère sur certaines structures traitées des zones périphériques 100 de rugosité résiduelle, 20 incompatibles avec les spécifications de rugosité du produit final. OBJET DE L'INVENTION 25 Un objet de l'invention est donc de proposer un procédé obviant les inconvénients de l'art antérieur. Un objet de l'invention est notamment un procédé de lissage de la surface d'une structure de silicium sur isolant permettant de limiter l'apparition de zones périphériques de rugosité résiduelle, sans 30 dégrader l'uniformité d'épaisseur de la couche superficielle et du diélectrique enterré. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION 35 La présente invention concerne un procédé de lissage d'une structure de silicium sur isolant comprenant l'exposition d'une surface de la structure à un flux de gaz neutre ou réducteur et à une température élevée au cours d'un traitement thermique, le procédé comportant une première étape de 40 traitement thermique à une première température et sous un 3046877 5 premier flux de gaz défini par un premier débit. Le procédé est remarquable en ce qu'il comporte en outre, une deuxième étape de traitement thermique à une deuxième température inférieure à la première température et sous un deuxième flux de gaz défini par 5 un deuxième débit inférieur au premier débit. La première étape du procédé permet le lissage efficace de surface en parallèle avec un phénomène de dissolution uniforme. Lors de la deuxième étape du procédé, un lissage de la 10 surface peut également s'opérer et rectifier les zones périphériques de rugosité résiduelle générée lors de la première étape. Les conditions de température du deuxième traitement thermique sont telles que le phénomène de dissolution est très lent voire inexistant, ce qui permet de diminuer le flux de gaz 15 et ainsi de limiter les contaminants injectés dans le four et susceptibles de gêner le lissage (notamment en créant lesdites zones périphériques de rugosité résiduelle) : la deuxième étape du procédé permet donc d'améliorer le lissage de la surface, notamment au niveau des zones périphériques, sans dégrader 20 l'uniformité d'épaisseur de la couche superficielle et du diélectrique enterré. Selon des caractéristiques avantageuses de l'invention, 25 prises seules ou en combinaison : - Le procédé comporte une étape préliminaire de fourniture de la structure SOI comprenant une couche superficielle mince disposée sur une couche diélectrique, elle-même disposée sur un substrat support, la couche superficielle ayant une 30 épaisseur inférieure à 500nm ; - la première température est supérieure à une température seuil et la deuxième température est inférieure à ladite température seuil qui est comprise entre 1150°C et 1170°C ; - la première température est comprise entre 1160°C et 35 1200°C, préférentiellement entre 1170°C et 1200°C ; - la deuxième température est comprise entre 1130°C et 1170°C, préférentiellement entre 1130°C et 1160°C ; - la deuxième étape de traitement thermique comporte un palier à la deuxième température d'une durée déterminée ; 40 - la durée du palier est comprise entre 1 min et 2h ; 3046877 6 - la deuxième étape de traitement thermique comporte une rampe de descente en température comprise entre 0.1°/min et 20°/min, à partir de la deuxième température ; - le premier débit est supérieur à 20 slm ; 5 - le deuxième débit est inférieur à 15 slm ; - le gaz neutre est choisi parmi l'argon ou un mélange d'argon et d'hydrogène ; - la première étape et la deuxième étape de traitement thermique s'enchainent au cours d'un même traitement 10 thermique. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 15 ressortiront de la description détaillée de l'invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles : - la figure 1 présente une cartographie de « haze » mesuré comportant des zones ; de fabrication d'une CutED ; le niveau de rugosité SOI après un procédé sur la surface d'une structure SOI 20 périphériques de rugosité résiduelle - la figure 2 présente des étapes structure SOI selon le procédé Smart - la figure 3 présente un graphe avec maximum mesuré sur chaque structure 25 de lissage de l'état de l'art ; - la figure 4 présente un graphe avec maximum mesuré sur chaque structure de lissage selon l'invention ; - la figure 5 présente un graphe avec 30 maximum mesuré sur chaque structure de lissage selon l'invention ; le niveau de rugosité SOI après un procédé le niveau de rugosité SOI après un procédé DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 35 La figure 2 présente des étapes de fabrication d'une structure de silicium sur isolant (SOI) 11' selon un mode de réalisation du procédé Smart CutED. Un substrat donneur 1 de silicium subit une étape d'oxydation thermique (figure 2a) pour faire croitre la future couche diélectrique 2 enterrée de la 40 structure SOI. L'épaisseur de l'oxyde pourra par exemple varier 3046877 7 entre quelques nanomètres et quelques centaines de nanomètres. Le substrat donneur 1 est ensuite implanté avec des ions légers 3 (figure 2b). A titre d'exemple, une co-implantation d'hélium (1'16/cm2) et d'hydrogène (1'16/cm2) pourra être effectuée, à une 5 énergie adaptée à l'épaisseur souhaitée de la future couche superficielle de silicium. Cette étape d'implantation forme un plan fragile enterré 4 dans le substrat donneur 1. Le substrat donneur 1 implanté est ensuite assemblé avec un substrat support 5, par exemple par collage par adhésion moléculaire (figure 2c). 10 Un recuit de détachement, par exemple dans la gamme de température 350-600°C, permet alors de faire croitre des cavités dans le plan fragile enterré 4 pour provoquer la séparation du substrat donneur 1 au niveau de ce plan 4. Une structure SOI intermédiaire 11 est alors formée (figure 2d) : elle comporte 15 une couche superficielle 10 issue du substrat donneur 1, disposée sur la couche diélectrique 2, elle-même assemblée au substrat support 5. A ce stade, la surface de la couche superficielle 10 est rugueuse (par exemple, de l'ordre de 3 à lOnm RMS - mesure AFM). Pour que cette couche superficielle 10 20 soit compatible avec les applications microélectroniques, il est nécessaire de réduire sa rugosité, uniformément sur toute la surface de la structure SOI, jusqu'à une valeur de l'ordre de 0,05 à 0,5nm RMS (mesure AFM). Pour cela, différents traitements peuvent être réalisés, 25 notamment des étapes d'oxydation sacrificielle et de polissage mécano-chimique. Il apparaît néanmoins que, pour des couches superficielles 10 minces (par exemple d'épaisseur inférieure à 500nm voire inférieure à 300nm) dont l'uniformité en épaisseur sur le substrat est critique (typiquement PV (peak-to-valley) 30 REVENDICATIONS1. Procédé de lissage d'une structure de silicium sur isolant (11) comprenant l'exposition d'une surface de la structure (11) à un flux de gaz neutre ou réducteur et à une température élevée au cours d'un traitement thermique, le procédé comportant : - une première étape de traitement thermique à une première température et sous un premier flux de gaz défini par un premier débit ; le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte : - une deuxième étape de traitement thermique à une deuxième température inférieure à la première température et sous un deuxième flux de gaz défini par un deuxième débit inférieur au premier débit. 2. Procédé de lissage d'une structure SOI (11) selon la revendication précédente, comportant une étape préliminaire de fourniture de la structure SOI (11) comprenant une couche superficielle mince (10) disposée sur une couche diélectrique (2), elle-même disposée sur un substrat support (5), la couche superficielle (10) ayant une épaisseur inférieure à 500nm. 3. Procédé de lissage d'une structure SOI (11) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la première température est supérieure à une température seuil et la deuxième température est inférieure à ladite température seuil qui est comprise entre 1150°C et 1170°C. 4. Procédé de lissage d'une structure SOI (11) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la première température est comprise entre 1160°C et 1200°C, préférentiellement entre 1170°C et 1200°C. 5. Procédé de lissage d'une structure SOI (11) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la deuxième température est comprise entre 1130°C et 1170°C, préférentiellement entre 1130°C et 1160°C. 3046877 17 6. Procédé de lissage d'une structure SOI (11) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la deuxième étape de traitement thermique comporte un palier à la deuxième 5 température d'une durée déterminée. 7. Procédé de lissage d'une structure SOI (11) selon la revendication précédente, dans lequel la durée du palier est comprise entre 5 min et 2h. 10 8. Procédé de lissage d'une structure SOI (11) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la deuxième étape de traitement thermique comporte une rampe de descente en température comprise entre 0.1°/min et 20°/min, à partir de 15 la deuxième température. 9. Procédé de lissage d'une structure SOI (11) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le premier débit est supérieur à 20 slm. 20 10. Procédé de lissage d'une structure SOI (11) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le deuxième débit est inférieur à 15 slm. 25 11. Procédé de lissage d'une structure SOI (11) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le gaz neutre est choisi parmi l'argon ou un mélange d'argon et d'hydrogène. 12. Procédé de lissage d'une structure SOI selon l'une des 30 revendications précédentes, dans lequel la première étape et la deuxième étape de traitement thermique s'enchainent au cours d'un même traitement thermique.