Brevet FR3050569A1 — publié le 20171027

FABRICATION AMELIOREE DE SILICIUM CONTRAINT EN TENSION SUR ISOLANT PAR AMORPHISATION PUIS RECRISTALLISATION DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR La présente description concerne le domaine des structures comprenant une couche semi-conductrice ayant une déformation ou une contrainte mécanique, et plus particulièrement la réalisation d'une couche de silicium contrainte en tension et disposée sur un matériau isolant. Une couche semi-conductrice contrainte a un matériau qui a son ou ses paramètre(s) de maille cristalline allongé(s) ou écourté(s) par rapport à un paramètre de maille nominal. Dans le cas où le paramètre de maille déformé est plus important que le paramètre dit « naturel » du matériau cristallin, celui-ci est dit en déformation tensive ou en tension. Lorsque le paramètre de maille déformé est plus petit que le paramètre de maille naturel, le matériau est dit en déformation compressive ou en compression. Pour certaines applications, en particulier pour la réalisation de transistors, il peut être avantageux de prévoir une couche de matériau semi-conducteur contraint. Une contrainte mécanique en tension ou en compression sur une couche semi-conductrice permet en effet d'obtenir une mobilité plus élevée des porteurs de charge, améliorant ainsi les performances de dispositifs à transistors formés dans une telle couche. On peut améliorer les performances d'un transistor de type N dont la région de canal est en silicium en imposant une contrainte mécanique en tension à cette région. Un procédé connu de mise en tension d'une première couche en silicium comprend la formation d'une deuxième couche en silicium germanium sur cette première couche, puis une implantation de sorte à rendre amorphe la première couche et une 3050569 2 portion inférieure de la deuxième couche en silicium germanium tout en conservant une portion supérieure cristalline de la deuxième couche. Ensuite, on réalise une recristallisation de la portion inférieure de la deuxième couche en silicium germanium et de la première couche en silicium, en se servant 5 de la portion supérieure dont la structure cristalline a été conservée comme zone de départ d'un front de recristallisation. Lors de cette recristallisation la deuxième couche en silicium germanium impose, au moins partiellement, son paramètre maille à celle en silicium, si bien que la première couche est mise en tension. Le document 2 782 118 Al présente un tel type de procédé. 10 Afin de pouvoir obtenir un matériau recristallisé de bonne qualité et éviter la création de défauts dans le matériau recristallisé on cherche généralement à conserver une portion supérieure cristalline non-amorphisée de bonne qualité. Cependant, en particulier dans le cas où la première couche et la deuxième couche sont pleine plaque, afin de pouvoir bien relaxer la portion supérieure 15 cristalline consécutivement à l'amorphisation et obtenir ainsi une meilleure mise en contrainte de la première couche en Si, on peut chercher dans le même temps à vouloir conserver une portion supérieure cristalline de faible épaisseur. Les deux critères précités sont difficiles à concilier dans la mesure où l'implantation amorphisante a tendance à créer une interface irrégulière entre la portion 20 supérieure de structure cristalline et la portion inférieure rendue amorphe. Ainsi, lorsqu'on cherche trop à réduire l'épaisseur de la portion cristalline on peut avoir tendance à former par implantation des zones amorphes en surface qui peuvent être à l'origine de la formation de défauts cristallins lors de la recristallisation. Par ailleurs, pour contraindre davantage la première couche en Si on peut 25 chercher à augmenter la concentration en Germanium de la deuxième couche. Toutefois, plus la concentration en Germanium augmente plus on doit prévoir cette couche fine afin d'éviter un phénomène de relaxation plastique lors de l'épitaxie de cette deuxième couche. Lorsque la deuxième couche est très fine il devient difficile de rendre amorphe sélectivement une portion inférieure de celle-ci tout en conservant une portion supérieure cristalline. 3050569 3 Il se pose donc le problème de trouver un nouveau procédé de réalisation d'une structure dotée d'une couche de silicium contraint qui soit amélioré vis-à-vis des inconvénients mentionnés ci-dessus. EXPOSÉ DE L'INVENTION 5 Un but de la présente invention est donc de réaliser une zone ou une couche de silicium contraint ayant à la fois une contrainte accrue et une bonne qualité cristalline. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé de réalisation d'une structure comprenant une couche de silicium contraint, le procédé 10 comprenant des étapes consistant à : - prévoir un substrat avec au moins une région revêtue d'un empilement comprenant une couche semi-conductrice en silicium, la couche semi-conductrice en silicium étant elle-même revêtue d'une deuxième zone semi-conductrice en silicium germanium, la deuxième zone semi-conductrice étant elle-même revêtue d'une troisième 15 zone semi-conductrice comprenant une couche appelée de « délimitation d'interface », cette couche de délimitation d'interface se trouvant en contact avec la deuxième zone semi-conductrice et étant en silicium ou en silicium germanium avec une concentration en germanium inférieure à celle de la deuxième zone semi-conductrice, - effectuer au moins une implantation ionique de sorte à rendre amorphe 20 la couche en silicium et à rendre amorphe sélectivement la deuxième zone semi- conductrice par rapport à la troisième zone semi-conductrice, une portion cristalline continue étant conservée dans la troisième zone semi-conductrice, - effectuer ensuite une recristallisation de la deuxième zone semiconductrice et de la couche semi-conductrice en silicium se servant de la portion cristalline 25 continue de la troisième zone semi-conductrice comme une zone de départ d'un front de recristallisation, la deuxième zone semi-conductrice imposant son paramètre de maille à la couche semi-conductrice en silicium de sorte à mettre en contrainte cette couche semiconductrice en silicium. 3050569 4 La couche de délimitation d'interface a une composition en germanium prévue de sorte à pouvoir permettre une amorphisation sélective de la deuxième zone semi-conductrice vis-à-vis de cette couche et de pouvoir ainsi définir précisément l'interface entre une région rendue amorphe et une région cristalline. 5 Cette interface est davantage plane et localisée de manière plus précise que dans les procédés suivants l'art antérieur, ce qui permet notamment d'effectuer ensuite une recristallisation à partir d'une région mieux définie et par voie de conséquence d'obtenir une couche de silicium contraint de meilleure qualité cristalline. Cette couche de délimitation d'interface peut également permettre de 10 prévoir une deuxième zone semi-conductrice avec une concentration en Germanium importante, en particulier supérieure ou égale à 30 %, sans toutefois risquer de rendre amorphe toute la partie supérieure de l'empilement. Or, une deuxième zone semiconductrice avec une concentration en Germanium importante permet de produire une contrainte accrue dans la couche semi-conductrice en silicium. 15 Selon un mode de réalisation, la couche de délimitation d'interface est elle-même revêtue d'une couche superficielle en un matériau semi-conducteur différent de celui de la couche de délimitation d'interface. De préférence, ladite couche superficielle a une concentration en germanium inférieure à celle de la couche de délimitation d'interface. La couche 20 superficielle peut être en silicium. Ainsi, on conserve une couche superficielle intacte afin d'effectuer une recristallisation à partir d'un germe cristallin de bonne qualité. On améliore ainsi davantage la qualité cristalline de la couche semi-conductrice en silicium contraint. Comme indiqué plus haut, la deuxième zone semi-conductrice en silicium germanium peut être prévue avec une concentration en germanium élevée afin de pouvoir 25 avoir une contrainte accrue dans le silicium. De préférence, la deuxième zone semi- conductrice en silicium germanium est prévue avec une concentration en germanium comprise entre 30 % et 60 %. La couche de délimitation d'interface peut être prévue en silicium germanium et avec une concentration en germanium faible, en particulier inférieure à 25%. 3050569 5 De préférence, la couche de délimitation d'interface est prévue en silicium germanium avec une concentration en germanium comprise entre 5 % et 20 %. Après recristallisation et mise en contrainte de la couche semi- conductrice en silicium, le procédé peut comprendre le retrait de la troisième zone semi- 5 conductrice et de la deuxième zone semi-conductrice. Selon une possibilité de mise en oeuvre de l'empilement, celui-ci peut être doté d'une couche sacrificielle semi-conductrice située entre la couche semi-conductrice en silicium et la deuxième zone semi-conductrice. Dans ce cas, le procédé comprend en outre le retrait de la couche sacrificielle après le retrait de la deuxième zone semi- 10 conductrice. En prévoyant une telle couche sacrificielle on limite les possibilités de contamination de la couche de silicium lors de l'implantation ionique d'amorphisation, ce qui participe à l'obtention d'une couche semi-conductrice en silicium contraint de qualité cristalline améliorée. La couche sacrificielle peut être en silicium ou en silicium germanium avec 15 une concentration en germanium inférieure à celle de la deuxième zone semi-conductrice. Selon une possibilité de mise en oeuvre du procédé, la deuxième zone semi-conductrice peut avoir un gradient de concentration en germanium de sorte que la concentration en germanium diminue au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la première zone semi-conductrice et que l'on se rapproche de la troisième zone semi-conductrice. 20 Lorsque la couche de délimitation d'interface est en Sii_yGey, le gradient de concentration en germanium de la deuxième zone semi-conductrice peut être tel qu'au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la couche de silicium et que l'on se rapproche de la troisième zone semi-conductrice, la concentration en Ge diminue d'une valeur donnée jusqu'à y. 25 La couche semi-conductrice en silicium est avantageusement la couche superficielle d'un substrat SOI comportant une couche isolante sur laquelle repose la couche semi-conductrice en silicium. 3050569 6 Ainsi, le procédé peut permettre de former un substrat de type sS01 ou un substrat SOI comportant une couche de silicium superficielle avec une partie contrainte en tension. Selon une possibilité de mise en oeuvre du procédé, entre l'étape a) et 5 l'étape b), une étape de gravure de l'empilement jusqu'à atteindre la couche isolante, et de manière à définir au moins un bloc semi-conducteur peut être prévue. Selon une mise en oeuvre particulière du procédé, ladite amorphisation est réalisée dans une première partie de la couche semi-conductrice en silicium, tandis qu'une deuxième partie est protégée par un masquage, le procédé comprenant en outre 10 un enrichissement en Germanium de la première partie. Ainsi, dans une même couche superficielle en silicium on peut réaliser une première partie enrichie en Germanium et qui peut être dédiée par exemple à la mise en oeuvre de transistor contraint en compression, et une deuxième partie enrichie contrainte en tension, à l'aide du procédé d'implantation sélective et de recristallisation 15 défini plus haut. On peut en outre former une tranchée isolante entre la première partie et la deuxième partie de la couche semi-conductrice en silicium. Une telle tranchée peut être prévue par exemple pour réaliser une séparation entre un ou plusieurs transistors de type N et un ou plusieurs transistors de type P. 2 0 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - les figures 1A-11 illustrent un exemple de procédé de formation d'une 25 couche semi-conductrice contrainte selon un mode de réalisation de la présente invention ; - la figure 2 illustre une variante du procédé ; - la figure 3 illustre une autre variante du procédé ; 3050569 7 - la figure 4 illustre un exemple de substrat semi-conducteur sur isolant doté d'une couche semi-conductrice comportant une partie en silicium contraint et une partie enrichie en germanium ; - les figures 5A-5I illustrent un exemple de procédé de réalisation d'un 5 dispositif tel que représenté sur la figure 4 ; - les figures 6A-6D illustrent une variante de procédé de réalisation d'un dispositif doté d'une couche semi-conductrice en silicium comportant une partie en silicium contraint et une partie enrichie en germanium ; - les figures 7 à 9 donnent différents résultats de simulation d'état de 10 contrainte dans une couche de silicium appartenant à un empilement du type de celui de la figure 1B et mis en contrainte par le biais d'étapes d'amorphisation et de recristallisation, la simulation rendant compte de la différence de paramètre de maille entre une couche supérieure en SiGe après structuration et une couche de Si relaxée. Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures 15 portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre. Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. En outre, dans la description ci-après, des termes ou expressions tel(le)s 20 que « inférieure », « supérieure », « superficielle », « haut », « bas », qui dépendent de l'orientation de la structure s'appliquent en considérant que la structure est orientée de la façon illustrée dans les figures. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Un exemple de procédé de réalisation d'une structure comportant une 25 couche de silicium contraint sur isolant, va à présent être décrit en liaison avec les figures 1A-1E. Le matériau de départ de ce procédé peut être une plaquette ou un substrat de type semi-conducteur sur isolant, en particulier de type SOI (pour « Silicon On Insulator », c'est-à-dire silicium sur isolant) formé d'une couche 1 de support semi- 3050569 8 conductrice par exemple en Si, revêtue d'une couche isolante 2 par exemple une couche de Si02 communément appelée de BOX (pour « Burried Oxide » c'est-à-dire d'oxyde enterré), et d'épaisseur qui peut être comprise par exemple entre 20 nm et 150 nm. La couche isolante 2 est elle-même revêtue d'une couche semi-conductrice 3 dite 5 « supérieure » qui est à base de silicium. On souhaite contraindre en tension cette couche semi-conductrice 3 de silicium. La couche semi-conductrice 3 supérieure peut avoir une épaisseur comprise par exemple entre 5 nm et 30 nm. Sur au moins une région de la couche semi-conductrice 3 supérieure du substrat on peut ensuite former une couche sacrificielle 4 par épitaxie. Dans l'exemple de 10 la figure 1A, la couche sacrificielle 4 est à base du même matériau semi-conducteur que celui de la couche semi-conductrice 3 supérieure du substrat. Ainsi, la couche sacrificielle 4 peut être par exemple à base de silicium et réalisée avec une épaisseur comprise entre 2 nm et 30 nm. L'empilement de la couche supérieure 3 et de la couche sacrificielle 4 15 forme une zone semi-conductrice 5 appelée « première zone semi-conductrice », d'épaisseur qui peut être par exemple de l'ordre de 9 nm. Sur la première zone semi-conductrice 5, on forme ensuite une couche semi-conductrice 7 d'adaptation de paramètre de maille, à base de silicium germanium Sii_xGex. Cette couche 7 que l'on appellera « deuxième zone semi-conductrice » peut être 20 réalisée par épitaxie sur la première zone semi-conductrice 5. Le matériau de la deuxième zone semi-conductrice 7 est prévu avec un paramètre de maille différent de celui de la première couche semi-conductrice 5. La zone semi-conductrice 7 d'adaptation de paramètre de maille est prévue de préférence avec une concentration x élevée en Germanium c'est-à-dire telle que x supérieur ou égal à 0.3, x étant par exemple compris 25 entre 0.3 et 0.6. La deuxième zone semi-conductrice 7 a de préférence une épaisseur e2 inférieure à une épaisseur critique hc de relaxation plastique telle que décrite dans le document intitulé : « Critical thickness for plastic relaxation of SiGe » de Hartmann et al. Journal of Applied Physics 2011. Cette épaisseur critique hc dépend de la concentration en 30 Germanium de la zone semi-conductrice 7 et peut être définie par l'épaisseur limite au- 3050569 9 delà de laquelle la deuxième zone semi-conductrice 7 ne relaxe pas plastiquement sur la couche 3 de silicium. Pour une concentration en Germanium de l'ordre de 40%, l'épaisseur e2 peut être prévue par exemple entre 25 nm et 30 nm. On forme ensuite une troisième zone semi-conductrice 11 sur la 5 deuxième zone semi-conductrice 7. La troisième zone semi-conductrice 11 est prévue à base d'un matériau semi-conducteur présentant une concentration en Germanium inférieure à la concentration en Germanium de la deuxième zone semi-conductrice 7, et en particulier prévue suffisamment inférieure à celle de la deuxième zone semi-conductrice 7 pour qu'une amorphisation sélective par implantation ionique de la deuxième zone semi- 10 conductrice 7 vis-à-vis de la troisième zone semi-conductrice 11 puisse être réalisée. La couche 9 formée sur et en contact de la deuxième zone semi-conductrice 7 peut être ainsi en silicium ou en silicium germanium avec une concentration en germanium inférieure à celle de la deuxième zone semi-conductrice 7. Dans l'exemple de réalisation particulier illustré sur la figure 1A, la 15 troisième zone semi-conductrice 11 est formée de plusieurs couches dont une couche 9 que l'on appellera de « délimitation d'interface » prévue en Sii_yGey avec une concentration y en germanium telle que de préférence x-y supérieure à 0.2 et qui est disposée sur et en contact de la deuxième zone semi-conductrice 7. La couche 9 de délimitation d'interface a de préférence une faible concentration y en germanium, c'est-à-dire telle que y est 20 inférieure ou égal à 0.20, y étant par exemple compris entre 0.05 et 0.20. La couche 9 en Sii_yGey a de préférence une épaisseur inférieure à l'épaisseur critique hc de relaxation évoquée plus haut et qui dépend de sa concentration en Germanium y. L'épaisseur de la couche 9 de délimitation d'interface peut être comprise par exemple entre 3 nm et 15 nm. Dans cet exemple de réalisation, la troisième zone semi-conductrice 11 25 comprend également une couche 10 superficielle en un matériau semi-conducteur différent de celui de la couche 9 de délimitation d'interface. La couche 10 superficielle a en particulier une concentration en germanium inférieure à celle de la couche semi-conductrice 9 de délimitation d'interface. La couche 10 superficielle peut être avantageusement en silicium avec 30 une épaisseur qui peut être comprise par exemple entre 2 nm et 5 nm. 3050569 10 La figure 1A illustre un exemple d'empilement réalisé en pleine plaque. Toutefois l'empilement de couches qui vient d'être décrit peut être formé sur une zone localisée du substrat. On peut ensuite effectuer une gravure de l'empilement des zones semi- 5 conductrice 5, 7, 11 afin de former des blocs semi-conducteurs distincts A, B. Cette gravure peut être réalisée jusqu'à atteindre la couche isolante 2 du substrat. Dans un mode de réalisation on crée des blocs A, B avec une longueur L, telle que L REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'une structure comprenant une couche de silicium contraint, le procédé comprenant des étapes consistant à : a) prévoir un substrat (1) doté d'au moins une région revêtue d'un empilement comprenant une couche semi-conductrice (3) en silicium, la couche semiconductrice (3) en silicium étant elle-même revêtue d'une deuxième zone semiconductrice (7) en silicium germanium, la deuxième zone semi-conductrice étant elle-même revêtue d'une troisième zone semi-conductrice (11) comprenant une couche (9) dite de « délimitation d'interface » en contact avec la deuxième zone semi-conductrice (7), la couche (9) de délimitation d'interface étant en silicium ou en silicium germanium et ayant une concentration en germanium inférieure à celle de la deuxième zone semi-conductrice (7), b) effectuer à l'aide d'au moins une implantation ionique une amorphisation sélective de la couche semi-conductrice (3) et la deuxième zone semi- conductrice (7) tout en conservant une portion cristalline continue dans la troisième zone semi-conductrice (11), c) effectuer ensuite une recristallisation de la deuxième zone semiconductrice (7) et de la couche semi-conductrice (3) en silicium se servant de la portion cristalline continue de la troisième zone semi-conductrice comme zone de départ d'un front de recristallisation, la deuxième zone semi-conductrice (7) imposant son paramètre à la couche semi-conductrice (3) en silicium de sorte à mettre en contrainte la couche semiconductrice (3) en silicium. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la couche (9) de délimitation d'interface est revêtue d'une couche superficielle (10) en un matériau semiconducteur différent de celui de la couche (9) de délimitation d'interface, en particulier un matériau semi-conducteur de concentration en germanium inférieure à celle de la couche (9) de délimitation d'interface. 3050569 21 3. Procédé selon la revendication 2, la couche superficielle (10) étant en silicium. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la 5 deuxième zone semi-conductrice (7) a une concentration en Germanium élevée comprise entre 30 % et 60 %. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la couche (9) de délimitation d'interface est en en silicium germanium et a une concentration en 10 germanium faible comprise entre 5% et 20%. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, le procédé comprenant après recristallisation et mis en contrainte de la couche semi-conductrice (3) en silicium : le retrait de la troisième zone semi-conductrice et de la deuxième zone semi- 15 conductrice (7). 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'empilement comprend une couche sacrificielle (4,14) semi-conductrice intercalée entre la couche semiconductrice (3) en silicium et la deuxième zone semi-conductrice (7), le procédé 20 comprenant en outre le retrait de la couche sacrificielle après le retrait de la deuxième zone semi-conductrice (7). 8. Procédé selon la revendication 7, la couche sacrificielle (14) étant en silicium germanium avec une concentration en germanium inférieure à celle de la 25 deuxième zone semi-conductrice. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, la deuxième zone semi-conductrice (17) présentant un gradient de concentration en germanium, la concentration en germanium diminuant au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la couche 30 (3) de silicium et que l'on se rapproche de la troisième zone semi-conductrice. 3050569 22 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la couche (9) de délimitation d'interface est en Sii_yGey avec y sa concentration en Ge, le gradient de concentration en germanium de la deuxième zone semi-conductrice diminuant jusqu'à une concentration y. 5 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel la couche semi-conductrice (3) en silicium est la couche superficielle d'un substrat SOI comportant une couche isolante sur laquelle repose la couche semi-conductrice (3) en silicium. 10 12. Procédé selon la revendication 11, comprenant en outre entre l'étape a) et l'étape b), une étape de gravure de l'empilement jusqu'à atteindre la couche isolante, et de manière à définir au moins un bloc semi-conducteur. 13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel ladite 15 amorphisation est réalisée dans une première partie (3b) de la couche semi-conductrice (3) en silicium, tandis qu'une deuxième partie (3a) est protégée par un masquage, le procédé comprenant en outre un enrichissement en Germanium de la première partie (3b). 14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel on forme une 20 tranchée isolante (36) entre la première partie et la deuxième partie.