Brevet FR3061988A1 — publié le 20180720

Procédé de lissage de surface d'un substrat semiconducteur sur isolant La présente invention se rapporte au domaine de la fabrication de substrats semiconducteurs sur isolant et plus particuliérement à un procédé permettant le transfert d'une couche de semiconducteur sur isolant sur un substrat récepteur. Ce type de substrat semiconducteur sur isolant peut être obtenu par un procédé de type Smart Cut®. Dans ce type de procédé, le transfert de la couche sur le substrat récepteur s'effectue par la propagation d'une onde de fracture le long d'une interface fragilisée antérieurement par une implantation d'ions, pendant un recuit thermique. Après détachement, la surface de la couche transférée présente une rugosité de l'ordre de 50-100A (5-10 nm) RMS. Or, dans le cadre de la production de substrats semiconducteurs de type silicium sur isolant (SOI) par exemple, on recherche des surfaces de silicium extrêmement lisses. Une valeur typique de rugosité souhaitée est une valeur inférieure à 3A (0,3nm) valeur 15 moyenne quadratique ou RMS (root mean square). Dans un procédé de type Smart Cut® avec transfert de couche, il est donc nécessaire d'effectuer des traitements de lissage après détachement pour obtenir un substrat final acceptable. Dans l'état de l'art il existe de nombreux procédés pour lisser les surfaces après détachement, mais deux sont principalement utilisés. Le premier est un polissage 20 mécanique, connu sous le nom anglais « chemical mechanical polishing (CMP) », qui permet de supprimer la rugosité au niveau local mais qui dégrade l'uniformité de l'épaisseur de la couche transférée à l'échelle de la plaque. Le second est un traitement à haute température en atmosphère neutre ou réductrice ou bien en atmosphère corrosive. Le lissage repose alors sur la réorganisation de la surface 25 grâce à la forte mobilité des atomes de surfaces à haute température. Dans le cas d'une couche de Silicium, ces traitements en température ne sont efficaces qu'au dessus de 900°C car il est nécessaire de décomposer d'abord la couche d'oxyde natif de surface, soit en la gravant, soit en l'évaporant. Ainsi, la production de substrats semiconducteurs pour lesquels le contrôle de l'uniformité 30 d'épaisseur de la couche transférée de silicium est critique, requiert l'usage de traitements thermiques de lissage à des températures supérieures à 900°C. 3061988 2 Or, pour certains produits, le passage à haute température lors d'une finition est dommageable. C'est par exemple le cas pour des structures contenant des couches d'alliage (ex : SiGe) ou des couches fortement dopées, où les hautes températures peuvent provoquer une diffusion des espèces dommageable au produit. Les recuits de 5 lissage HT sont susceptibles de modifier la morphologie des précipités d'oxygène dans le silicium et de modifier ainsi les propriétés mécaniques et électriques du matériau. Finalement, les passages à hautes températures génèrent des défauts structuraux type "sliplines" ou "boat marks", liés à la propagation à haute température et sous contrainte de dislocations à travers les substrats. 10 Bien que divers procédés aient été proposés pour éliminer la rugosité de la surface de la couche transférée obtenue par le procédé de Smart Cut® tout en maintenant l'uniformité d'épaisseur de la couche, une solution améliorée est souhaitée. L'objet de l'invention est donc de surmonter les inconvénients décrit ci-dessus en fournissant un procédé permettant de fabriquer un substrat semiconducteur sur isolant comportant une couche transférée par la technique de Smart Cut® ayant une rugosité moindre et une meilleure uniformité d'épaisseur grace à une étape de lissage de la surface aprés détachement pouvant être réalisée à des températures inférieures à celles requises par les procédés connus actuellement. L'objet de l'invention est réalisé par un procédé pour fabriquer un substrat semiconducteur comportant une couche transférée avec les étapes suivantes qui consistent à a) fournir un substrat donneur avec une zone affaiblie à l'intérieur du substrat donneur, ladite zone affaiblie formant la frontière entre la couche à transférer et le reste du substrat donneur, à b) attacher le substrat donneur à un substrat récepteur, la couche à transférer se trouvant à l'interface entre le substrat donneur et le substrat récepteur et à c) détacher le substrat récepteur avec la couche transférée dudit reste du substrat donneur, au niveau de la zone affaiblie. Ce procédé comprend après l'étape c) de détachement au moins une étape d) de lissage réalisée sur la surface de la couche transférée et le substrat semiconducteur obtenu à partir de l'étape c) est maintenu au moins à partir du moment du détachement jusqu'à la fin de l'étape de lissage dans une atmosphère inerte non oxydante ou dans un mélange de gaz inertes non oxydants. Le traitement de lissage de la couche transférée sur un substrat conducteur après détachement, lorsque la couche transférée sur le substrat conducteur est maintenue dans une atmosphère inerte non oxydante ou dans un mélange de gaz inertes non oxydants, au moins à partir du moment du détachement jusqu'à la fin de l'étape de lissage, permet d'obtenir une surface de la couche transférée assez lisse à l'échelle de la plaque avec 3061988 3 une meilleure uniformité de l'épaisseur comparées aux techniques de CMP connues de l'état de l'art. De plus, le fait que la couche transférée reste sous atmosphère neutre au moins à partir du moment du détachement jusqu'à la fin de l'étape de lissage, permet d'effectuer l'étape 5 de lissage à plus basse température comparée à l'état de l'art connu. Cela permet un plus grand choix de matériaux pour les substrats et pour la couche transférée pour fabriquer un substrat semiconducteur. Dans ce contexte, le terme "uniformité d'épaisseur" désigne l'écart maximal d'épaisseur au niveau de la plaque. 10 Selon une variante du procédé, l'étape de détachement et de lissage peuvent être réalisées dans une atmosphère inerte non oxydante ou un mélange de gaz inertes non oxydants, en particulier avec un niveau de 02 inférieur à lOppm. Une fois le détachement obtenu, la surface de la couche transférée est maintenue exposée au gaz de l'atmosphère du four de l'étape de détachement, qui est non oxydante. Lorsque la surface d'une couche 15 est exposée à l'atmosphère libre, une couche d'oxyde naturel se développe. Ainsi, si l'atmosphère de l'étape de détachement et du traitement de lissage est non oxydante, la surface de la couche transférée est maintenue sous atmosphere neutre à partir du moment du détachement jusqu'à la fin du traitement de lissage. Ainsi, il n'y a pas ou moindre formation d'une couche d'oxyde sur la surface de la couche transférée. 20 Selon une alternative du procédé, l'étape de lissage peut être réalisée directement après l'étape de détachement. Ainsi les conditions sous condition d'atmosphère neutre sont assurées en continues. La spécificité de la surface de la couche transférée juste après fracture est qu'elle n'a pas encore été oxydée par son environnement. Un effet de lissage de la surface peut être observé, car les atomes de surface ont une mobilité plus grande 25 comparée à une situation ou une couche d'oxyde est présente en surface, ce qui permet une réorganisation de la surface, par minimisation de l'énergie de surface. Selon une variante du procédé, l'étape de détachement et l'étape de lissage peuvent être réalisées dans un même équipement, en particulier dans un même four. Cela permet de combiner deux opérations: détachement et lissage, au sein d'une même opération, ce qui 30 rend le processus plus simple à réaliser. L'étape de détachement peut être réalisée par application d'un traitement thermique pour obtenir un détachement à la zone affaiblie du reste du substrat donneur. 3061988 4 Selon une variante du procédé, l'étape de lissage peut être réalisée pendant au moins une heure, de préférence pendant une à trois heures. Les niveaux de lissage obtenus à 850°C pour une heure sont comparables à ceux obtenus par un passage en traitement thermique rapide à 1100°C. Un traitement thermique rapide, aussi connu de l'état de l'art 5 sous l'acronyme RTA signifiant "rapid thermal annealing" en anglais, est réalisé dans un appareil de recuit RTA qui permet d'obtenir des vitesses d'élévation de la température supérieures à 10°C / s et des durées de recuit relativement courtes, d'environ 30secondes à 1minute. Selon une variante du procédé, l'étape de lissage peut être réalisée dans une plage de 10 température allant de 650°C à 900°C. Ainsi l'étape de lissage peut être réalisée directement après le détachement dans le four sans besoin de refroidir. Selon une variante du procédé, la couche transférée peut avoir une rugosité de surface RMS inférieure à mm, en particulier inférieure à 0,3nm, en particulier sur tout la surface, après l'étape de lissage. 15 Le procédé est particulièrement adapté à la fabrication de substrat de type FDS01 (fully depleted silicon on insulator ou Silicium complètement épuisé sur isolant). L'objet de l'invention peut être également atteint avec un substrat semiconducteur fabriqué en utilisant un procédé, caractérisé en ce que le substrat semiconducteur comporte une couche transférée, la dite couche transférée ayant une rugosité de surface 20 RMS inférieure à mm, en particulier inférieure à 0,3nm, et en particulier sur toute la surface. L'invention peut être comprise en se référant à la description suivante prise conjointement avec les figures annexées, dans lesquelles des références numériques identifient les éléments de l'invention. La figure 1 représente schématiquement les différentes étapes du procédé de fabrication selon une réalisation de l'invention. La figure 2 montre les niveaux de rugosité des substrats ayant subis ou non différent types de lissage effectués après l'étape de détachement. 25 Le procédé de fabrication de l'invention est décrit en détail par la figure 1. Il comprend les étapes de formation, de détachement et de transfert de couche d'un substrat donneur sur 3061988 5 un substrat receveur et une étape de lissage réalisée sur la surface de la couche transférée, selon les étapes A à E. Figure 1A montre un substrat donneur 1, préférablement un substrat de silicium ou de silicium monocristallin mais aussi un substrat de germanium ou de silicium-germanium 5 (SiGe), avec ou sans son oxyde en surface, avec une surface 3. Figure 1A représente un substrat receveur 5 avec une surface 7. Le substrat receveur 5 peut être de type silicium, de silicium monocristallin, ou encore n'importe quel type de substrat de base, en particulier un substrat tolérant des températures supérieures à 700°C, avec ou sans son oxyde en surface. 10 Ensuite, tel qu'illustré dans la figure 1B, le substrat donneur 1 est sujet à une implantation d'espèces atomiques ou ioniques 9. Ce procédé d'implantation introduit les espèces 9 implantées dans le substrat donneur 1 avec une concentration maximale à une profondeur prédéterminée du substrat donneur 1 par rapport à la surface 3 bombardée, dans le but de créer une zone affaiblie 11. La zone affaiblie 11 forme la frontière entre une 15 couche 13 et le reste 15 du substrat donneur 1. L'implantation d'espèces 9 atomiques ou ioniques peut être une implantation unique, c'est-à-dire l'implantation d'une seule espèce atomique, comme par exemple une implantation d'hydrogène, d'hélium ou d'un autre gaz rare. L'implantation peut également être une co-implantation d'espèces 9 atomiques ou ioniques, c'est-à-dire une implantation 20 d'au moins deux espèces différentes, comme par exemple la co-implantation d'hydrogène et d'hélium. La figure 1C montre l'étape pendant laquelle le substrat récepteur 5 est mis en contact par l'intermédiaire de l'une de ses faces 7, avec la face 3 du substrat donneur 1. La liaison entre les deux substrats 1 et 5 s'effectue par adhérence moléculaire et l'interface de 25 liaison porte la référence 17 pour former un empilement multicouches 19. La figure 1D montre l'étape de détachement du reste 15 du substrat donneur 1, le long de la zone affaiblie 11, de manière à transférer la couche 13 sur le substrat supports pour créer le substrat semiconducteur 21. Le détachement peut être effectué par un traitement thermiquement, ou mécaniquement, 30 ou bien impliquant à la fois un traitement thermique et un traitement mécanique. 3061988 6 A titre d'exemple, le détachement thermique soumet l'empilement multicouches 19, illustré dans la figure 3C, à un recuit thermique, au cours duquel un détachement spontané du reste 15 du substrat donneur 1 a lieu le long de la zone affaiblie 11. Ce détachement thermique est typiquement réalisé dans un four 23 à des températures entre 100°C et 5 600°C, de préférence à environ 500°C. En alternative, un détachement mécanique peut être obtenu par exemple en utilisant une lame au niveau de la zone affaiblie 11. L'atmosphère du four 23 est non oxydante, avec des niveaux de contamination en 02 de l'ordre de 1Oppm ou mieux. Ainsi la surface 25 de la couche transférée 13 reste une surface sans oxyde en surface. 10 La figure 1E montre l'étape de lissage selon l'invention pendant laquelle le lissage de la surface 25 de la couche transférée 13 du substrat semiconducteur 21 est effectué par un traitement thermique dans un four. Ici, le four utilisé est le même four 23 que celui déjà utilisé pour l'étape illustrée dans la figure 1D. Selon l'invention, ce traitement thermique est fait à une température inférieure à 900°C, 15 en particulier dans une plage de température allant de 650°C à 900°C, dans une atmosphère inerte non oxydante ou un mélange de gaz inertes non oxydants, en particulier avec un niveau de 02 inférieur à 1Oppm. Le ou les gaz inertes peuvent être par exemple hydrogène, argon ou xénon. Le traitement thermique est appliqué pendant au moins une heure, de préférence d'une à trois heures. 20 L'atmosphère entre les étapes doit rester une atmosphère inerte non oxydante pour éviter la création d'un oxyde en surface. Le substrat semiconducteur 21 présente une rugosité RMS de la surface 25 de la couche transférée 13 obtenue inférieure à mm sur la surface du substrat semiconducteur. Les mesures de rugosité sont, par exemple, faites avec un microscope à force atomique, 25 AFM, ou par une mesure de brume, ou encore appelé mesure de HAZE. La figure 2 montre les niveaux de rugosité de type HAZE atteints pour des substrats ayant subis ou non différent types de lissage après l'étape de détachement du procédé de fabrication selon l'invention. Cette valeur HAZE, mesurée en ppm, est le résultat d'une méthode qui utilise les 30 propriétés de réflexion optique de la surface à caractériser. Une mesure HAZESUP correspond à la valeur maximale du HAZE sur une plaque et est un trés bon indicateur du 3061988 7 niveau de rugosité d'un substrat. Les mesures de HAZESUP illustrées dans la figure 2 ont été prises avec un instrument du type réflectomètre optique. La figure 2 montre les résultats des mesures de HAZESUP pour sept substrats 21a à 21g, ayant tous subi les étapes de formation et de détachement du procédé de fabrication 5 selon l'invention. Le substrat 21a montre une valeur de HAZESUP de l'ordre de 4000ppm, ayant été mesurée directement après l'étape de détachement, dans une atmosphère neutre de Argon seul avec un niveau de 02 inférieur à 10 ppm, condition A dans la figure 2. Les substrats 21b, 21c et 21d montrent une valeur de HAZESUP entre 280ppm et 10 400ppm, ayant été mesurée après une étape de lissage réalisée à 650°C pendant deux heures dans une atmosphère neutre d'Argon seul avec un niveau de 02 inférieur à 10 ppm, condition B dans la figure 2. Le substrat 21e montre une valeur de HAZESUP entre 50ppm et 6Oppm, ayant été mesurée après une étape de lissage réalisée à 850°C pendant deux heures dans une 15 atmosphère neutre d'argon seul avec un niveau de 02 inférieur à 10ppm, condition C dans la figure 2. Ce niveau est comparable à un traitement thermique de type RTA de 30s, réalisé à une température de 1100°C. Les substrats f et g montrent une valeur de HAZESUP de l'ordre de 4000ppm, ayant été mesurée directement après l'étape de détachement, dans une atmosphère ambiante, 20 condition D dans la figure 2. Comme il était d'espérer d'après l'état de l'art, les substrats (ici a, f et g) ayant subi les étapes de formation et de détachement sans ensuite avoir subi un traitement de lissage thermique montre des valeurs de HAZESUP élevées, de l'ordre de 4000ppm, que les mesures de HAZESUP soient faites dans une atmosphère ambiante ou neutre, alors que 25 les substrats ayant subi un traitement thermique de lissage selon l'invention après le détachement montrent une réduction importante de la valeur de HAZESUP (substrats b à e). Ainsi, un lissage réalisé à 850°C pendant 2h (substrat e) donne une valeur de HAZESUp du même ordre que la valeur de HAZESUP obtenue après un traitement thermique de 30 type RTA à 1100°C pendant 30s. 3061988 8 Ainsi un lissage équivalent à celui obtenue pour un traitement thermique de type RTA est obtenu avec un traitement thermique de lissage à 850°C, donc beaucoup plus basse, dans une atmosphère non oxydante et directement réalisé après le détachement. Un certain nombre de modes de réalisation de l'invention ont été décrits. Néanmoins, on 5 comprendra que diverses modifications et améliorations peuvent être apportées sans s'écarter des revendications suivantes. REVENDICATIONS1. Procédé pour fabriquer un substrat semiconducteur comportant une couche transférée avec les étapes suivantes: a) fournir un substrat donneur avec une zone affaiblie à l'intérieur du substrat donneur, ladite zone affaiblie formant la frontière entre la couche à transférer et le reste du substrat donneur; b) attacher le substrat donneur à un substrat récepteur, la couche à transférer se trouvant à l'interface entre le substrat donneur et le substrat récepteur; c) détacher le substrat récepteur avec la couche transférée dudit reste du substrat donneur, au niveau de la zone affaiblie; caractérisé en ce que le procédé comprend, après l'étape c) de détachement au moins une étape d) de lissage réalisée sur la surface de la couche transférée, et dans lequel le substrat semiconducteur obtenu à partir de l'étape c) est maintenu au moins à partir du moment du détachement jusqu'à la fin de l'étape de lissage dans une atmosphère inerte non oxydante ou dans un mélange de gaz inertes non oxydants. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de détachement et de lissage sont réalisées dans une atmosphère inerte non oxydante ou un mélange de gaz inertes non oxydants, en particulier avec un niveau de 02 inférieur à 1Oppm. 3. Procédé selon au moins une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que l'étape de lissage est réalisée directement après l'étape de détachement. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de détachement et l'étape de lissage sont réalisées dans un même équipement, en particulier dans un même four. 5. Procédé selon au moins une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que l'étape de lissage est réalisée pendant au moins 1 heure, de préférence pendant 1 à 3 heures. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de détachement est réalisée par application d'un traitement thermique pour obtenir un détachement à la zone affaiblie du reste du substrat donneur. 3061988 10 7. Procédé selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape de lissage est réalisée à une température inférieure à 900°C, en particulier dans une plage de température allant de 650 à 900°C. 5 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat donneur est choisi parmi le silicium, le silicium monocristallin, le germanium ou le SiGe. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le 10 substrat receveur est choisi parmi le silicium, le silicium monocristallin, ou encore n'importe quel type de substrat de base tolérant des températures supérieures à 700°C. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite 15 couche transférée a une rugosité de surface RMS inférieure à mm, en particulier inférieure à 0,3nm, après l'étape de lissage, en particulier sur toute la surface. 11. Substrat semiconducteur fabriqué en utilisant un procédé selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat semiconducteur 20 comporte une couche transférée, la dite couche transférée ayant une rugosité de surface RMS inférieure à mm, en particulier inférieure à 0,3nm et en particulier sur toute la surface. 25