Brevet FR3074608A1 — publié le 20190607

PROCEDE DE PREPARATION D'UN RESIDU DE SUBSTRAT DONNEUR, SUBSTRAT OBTENU A L'ISSU DE CE PROCEDE, ET UTILISATION D'UN TEL SUBSTRAT DOMAINE DE L'INVENTION La presente invention concerne un procede de preparation d'un residu de substrat donneur. Les substrats obtenus a l'issue de ce procede peuvent etre utilises pour former une structure sur isolant du type SO1 peu onereuse, par exemple pour son utilisation dans le domaine de la microelectronique, pour la fabrication de MEMS... ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION La technologie Smart Cutm est une technologie tres employee dans le milieu du semi-conducteur pour la formation d'une couche mince sur un substrat support. Cette technologie 20 permet le prelevement d'une couche mince sur une face d'un substrat donneur par fracture au niveau d'un plan fragilise (ou plan de fragilisation) forme par implantation d'especes legeres. Le substrat donneur restant apres le transfert de la couche mince est appele « residu » et comporte generalement 25 une marche annulaire correspondant a la partie non prelevee de la face du substrat donneur. La presente invention concerne plus particulierement la preparation d'un tel residu pour le rendre reutilisable. On 30 connait de tels procedes de preparation d'un residu obtenu l'issue du procede Smart Cutm. A titre d'exemple, on peut citer les documents U520090061545, U520100200854. Ces procedes sont generalement complexes et comprennent le retrait de la marche annulaire. Une methode classique de l'etat de l'art 35 comporte les etapes suivantes : un premier polissage pour retirer en partie la marche annulaire du residu, puis un « double-sided polishing » (polissage simultane des deux faces), suivi d'un polissage chimique afin de totalement 2 retirer la marche et d'obtenir une surface aux proprietes de surface satisfaisantes pour une utilisation ulterieure. Ces methodes peuvent aussi comprendre d'autres etapes additionnelles telle qu'une desoxydation. 5 Les methodes de l'etat de la technique sont souvent coateuses, longues et peuvent entrainer une perte de matiere importante notamment pour les methodes a base de « double-sided polishing ». Suivant l'utilisation ulterieure qui sera faite du residu, it peut etre interessant de reduire cette 10 perte de matieres. OBJET DE L'INVENTION 15 Un but de l'invention est de proposer un procede de preparation d'un residu de substrat donneur, adressant en partie au moms le probleme precite. Elle vise notamment un procede de preparation plus simple, moms cher et engendrant moms de perte de matiere que ceux de l'etat de la technique. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION En vue de la realisation de ce but, l'objet de l'invention propose un procede de preparation du residu d'un substrat donneur, le substrat donneur ayant subi un prelevement d'une couche par delamination au niveau d'un plan fragilise par implantation ionique, le residu comprenant sur une face principale une marche annulaire correspondant a une partie non prelevee du substrat donneur, le procede comprenant un depot d'un oxyde lissant sur la face principale du residu pour combler l'espace interne defini par la marche annulaire et recouvrir au moms en partie la marche annulaire ainsi qu'un traitement thermique de densification de l'oxyde lissant. 3 Selon d'autres caracteristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement realisable : - l'oxyde lissant appartient a la famille des SOG (Spin 5 On Glass) ; - le traitement thermique de densification presente une temperature comprise entre 225 et 900 °C ; - le traitement thermique de densification est realise sous une atmosphere d'azote (N2) ; 10 - le depot d'oxyde lissant est realise dans des conditions conduisant a former une couche presentant une epaisseur au moms egale a une fois et demie la hauteur de la marche annulaire ; - le procede comporte une etape de preparation de la 15 surface principale du residu, avant l'etape de depot ; - l'etape de preparation de la surface principale comprend le retrait d'une zone peripherique de la surface principale endommagee par l'implantation ionique. 20 L'invention porte aussi sur un substrat comprenant un residu d'un substrat donneur, le substrat donneur ayant subi un prelevement d'une couche par delamination au niveau d'un plan fragilise par implantation ionique, le residu comprenant sur une face principale une marche annulaire correspondant a 25 une partie non prelevee du substrat donneur, le substrat comprenant aussi une couche d'oxyde sur la face principale du residu, la couche d'oxyde comblant l'espace interne defini par la marche annulaire et recouvrant au moms en partie la marche annulaire. 30 Selon d'autres caracteristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement realisable : - la couche d'oxyde presente une epaisseur au moms egale a une fois et demie la hauteur de la marche annulaire ; 35 - le residu comprend une couche d'oxyde superficielle ; - le substrat donneur est constitue de silicium. 4 L'invention porte aussi sur l'utilisation d'un substrat, comprenant la fourniture d'un substrat prepare comme precise precedemment, son assemblage avec un substrat donneur et l'amincissement du substrat donneur pour former une structure 5 sur isolant (par exemple du type SOI, Silicon on Insulator). L'assemblage peut comprendre un traitement thermique a une temperature comprise entre 100°C et 500°C. 10 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caracteristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description detainee de l'invention qui va 15 suivre, en reference aux figures annexees sur lesquelles : - la figure 1 represente les differentes etapes d'un exemple de methode de prelevement de couche ; - la figure 2 represente le residu obtenu apres le prelevement de couche ; 20 - la figure 3 represente les differentes etapes d'un premier mode de realisation selon l'invention ; - la figure 4 represente les differentes etapes d'un deuxieme mode de realisation selon l'invention ; 25 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Par souci de simplification de la description a venir, les memes references sont utilisees pour des elements identiques ou assurant la meme fonction dans l'etat de la technique. 30 Les figures sont des representations schematiques qui, dans un objectif de lisibilite, ne sont pas a l'echelle. L'invention concerne un procede de preparation du residu d'un substrat donneur pour le rendre utilisable. 35 Ce residu est generalement obtenu suite au prelevement, dans le substrat donneur 1, d'une couche mince 5 par 5 delamination au niveau d'un plan fragilise 3 par implantation ionique, le residu l' comprenant sur une face principale 10 une marche annulaire 11 correspondant a une partie non prelevee du substrat donneur 1. La couche mince 5 est 5 transferee sur un substrat support 4. Le substrat donneur 1 et le substrat support 4 peuvent etre constitues de materiaux quelconques. Il peut s'agir d'un materiau semi-conducteur (tel que du silicium, du SiGe, du 10 germanium, du nitrure de galium), d'un isolant (tel que du saphir ou du verre) ou d'un materiau piezoelectrique (tel que du tantalate de lithium ou le niobate de lithium). Le substrat donneur 1 et/ou le substrat support 4 peuvent etre munis d'une couche d'isolant superficielle 2 15 comprenant par exemple un oxyde de silicium ou d'aluminium ou un nitrure de silicium ou d'aluminium. Elle peut alors avoir ete formee par depot, par oxydation ou par nitruration, selon le cas. Le substrat support 1 et le substrat support 4 peuvent, 20 de facon avantageuse, etre des plaquettes de silicium prenant la forme de disque dont le diametre est typiquement de 200mm, 300mm voire meme 450mm. L' une au moms de ces plaquettes peut presenter en surface une couche d'isolant, si bien qu'en fin de procede on dispose d'une plaquette de silicium sur isolant. 25 Mais l'invention n'est pas limitee a ces seuls materiaux, cette seule forme ou ces seules dimensions. La figure 1 represente les differentes etapes d'un exemple de methode de prelevement de couche de type Smart Cut menant 30 au residu l' utilise par l'invention. Ce type de methode comprend la fourniture d'un substrat donneur 1, illustree par la figure 1A, suivi, de maniere optionnelle, d'une etape d'oxydation du substrat donneur 1 illustree par la figure 1B avec la formation d'une couche 35 d'oxyde superficielle 2 tel que decrit precedemment. On effectue ensuite une premiere etape, illustree par la figure 1C, de formation d'un plan fragilise 3 par implantation 6 d'especes legeres dans le substrat donneur 1 de maniere a former une couche mince 5 entre ce plan et la surface implantee du substrat donneur 1. Le plan fragilise 3 est typiquement realise par implantation d'hydrogene et/ou de gaz 5 noble. Ainsi, les especes legeres peuvent etre choisies parmi les ions d'hydrogene et d'helium dans des doses comprises entre 5e15 et 1e17 at/cm2. L'energie d'implantation est quant a elle typiquement comprise entre lOkeV et 200keV et definit la profondeur d'implantation des ions. 10 Dans une deuxieme etape, illustree par la figure 1D, posterieure a la premiere, le substrat support 4 est assemble avec la surface implantee du substrat donneur 1, pour constituer un ensemble a fracturer. Cet assemblage est 15 preferentiellement realise par adhesion moleculaire, c'est a dire par adhesion directe des surfaces entres elles sans ajout de matiere adhesive (hormis de l'eau), et mettant en oeuvre des forces d'adhesion principalement de type van der Waals ou covalentes. 20 L'etape d'assemblage peut etre precedee de tout traitement de surface du substrat 1 et du support 4 prealable tel qu'un ou plusieurs nettoyages, une activation plasma... 25 Dans une etape suivante, illustree par la figure 1E, l'ensemble a fracturer est soumis a une etape de traitement thermique de fracture. Cette etape vise a developper des microcavites, des platelets et/ou d'autres types de defauts precurseurs de la fracture au niveau du plan fragilise 3. Elle 30 conduit a l'initiation et a la propagation de l'onde de fracture le long du plan fragilise 3 de maniere a reporter la couche mince 5 sur le substrat support 4. Ce traitement thermique de fracture peut egalement 35 contribuer a renforcer le degre d'adhesion entre le substrat donneur 1 et le substrat support 4. 7 A l'issue de cette etape de traitement thermique de fracture, et comme represents sur la figure 1E, on dispose donc, d'une part, de la couche mince 5 repartee sur le support 4, et d'autre part d'un residu 1', represents plus en detail 5 sur la figure 2, du substrat donneur 1 d' ou a ete prelevee la couche utile 5. Le residu 1' comprend, sur une face principale 10, une marche annulaire 11 correspondant a une partie non prelevee du 10 substrat donneur 1. Il s'agit d'une zone peripherique au le degre d'adhesion entre le substrat donneur 1 et le substrat support 4 est insuffisant pour permettre le prelevement de la couche. La largeur de la marche 11 peut aller de 0,5 a 3 mm et sa hauteur peut aller de 100 nm a 3,5 micrometres, voire 4 15 micrometres. La presence de la marche 11, et les proprietes de surface de la face principale 10 ne permettent pas une reutilisation directe et necessitent la preparation du residu 1' avant une 20 nouvelle utilisation, notamment dans un procede de type Smart CutTM ou de transfert de couche. La presente invention propose une telle preparation du residu 1'. Premier mode de realisation 25 Selon un premier mode de realisation, represents sur les figures 3A et 3B, le procede de preparation du residu 1' comprend deux stapes : un depot d'un oxyde lissant 6 sur la face principale 10 du residu 1' et un traitement thermique de densification de l'oxyde lissant. 30 L'oxyde lissant 6 est generalement choisi parmi la famille des SOG (du terme anglo-saxon « Spin On Glass » signifiant verre deposable par centrifugation) qui ont la propriete d'etre a l'etat liquide a temperature ambiante mais peuvent se densifier, et etre rendus solides, grace a un traitement 35 thermique approprie. L'etape de depot de l'oxyde lissant 6 consiste a deposer une couche d'oxyde lissant 6 sur la face principale 10 du residu 1', pour combler l'espace interne defini par la marche 8 annulaire 11 et recouvrir au moins en partie la marche annulaire 11. Le depot de l'oxyde lissant 6 peut aussi, de maniere preferee, etre realise dans des conditions conduisant a former une couche presentant une epaisseur au moins egale 5 une fois et demie la hauteur de la marche annulaire 11 comme cela est illustre sur la figure 3B. Afin de realiser la planarisation de la surface principale 10 par l'oxyde lissant 6, le residu 1' est mis en rotation sur son support afin de pouvoir se repartir par effet centrifuge. 10 L'etape de traitement thermique de densification consiste a exposer le residu muni de la couche d'oxyde lissant 6 a une temperature comprise entre 225 et 850°C, voire 900°C. Ce traitement thermique peut durer environ lh et peut etre effectue sous une atmosphere d'azote. 15 A l'issue de cette etape, la surface de l'oxyde lissant 6 est suffisamment lisse, avec une rugosite typiquement inferieure a 5A RMS (mesure AFM 5x5pm2), pour satisfaire les besoins de son utilisation ulterieure. La couche d'oxyde lissant 6 possede une elasticite, une viscosite et/ou une 20 resistance a la rupture suffisantes pour prevenir l'eventuelle exfoliation des bulles liees au plan fragilise existant sous la marche 11, au cours du recuit de densification ou lors d'etapes conduisant exposer le substrat traite a des temperature elevees. 25 A l'issue de ces traitements on dispose d'un substrat 7, illustre par la figure 3B, comprenant un residu 1' d'un substrat donneur 1, le residu 1' comprenant sur une face principale 10 une marche annulaire 11 correspondant a une 30 partie non prelevee du substrat donneur 1. Le residu 1' peut aussi comprendre une couche d'oxyde superficielle 2 obtenue lors des etapes de transfert de la couche mince 5 du substrat donneur 1 vers le substrat support 4. Le substrat donneur 1 peut etre constitue de silicium. 35 Le substrat 7 comprend aussi une couche d'oxyde 6 sur la face principale 10 du residu 1', la couche d'oxyde 6 comblant l'espace interne defini par la marche annulaire 11 et recouvrant au moins en partie la marche annulaire 11. De 9 maniere preferee, la couche d'oxyde 6 presente une epaisseur au moins egale a une fois et demie la hauteur de la marche annulaire 11. 5 Deuxieme mode de realisation Selon un deuxieme mode de realisation, represents sur les figures 4A a 4D, le procede de preparation du residu 1' comprend une etape additionnelle de preparation de la surface 10 principale 10 du residu 1' avant l'etape de depot de l'oxyde lissant 6. En effet, it existe un risque d'exfoliation de la marche annulaire 11, ou d'une partie de celle-ci, au niveau des defauts d'implantation residuels, lorsque ceux-ci restent 15 presents dans le residu 1' tel que cela est visible sur les figures 3A et 4A. Ce probleme peut se produire avec le premier mode de realisation meme s'il demeure avantageusement reduit par le recouvrement de la marche 11 avec l'oxyde lissant 6, grace notamment a ses proprietes de viscosite, d'elasticite et 20 de resistance a la rupture. Toutefois it reste possible de reduire d'avantage ce risque. Afin de reduire ce risque, ce second mode de mise en oeuvre prevoit une etape de preparation de la surface principale 10 25 du residu visant a eliminer la partie de la marche 11 sujette a l'exfoliation. Cette etape de preparation de la surface principale 10 du residu 1' peut ainsi comprendre : - le retrait preliminaire de la couche d'oxyde superficielle 2 (figure 4B); 30 - une elimination de matiere, par exemple par gravure chimique, configuree pour retirer une fine couche de la surface principale 10 du residu 1' et eliminer la partie endommagee de la marche 11 par l'implantation ionique (figure 4C). Autrement dit, l'etape de preparation de la surface 35 principale 10 comprend le retrait d'une zone peripherique de cette surface, qui a ete endommagee par l'implantation ionique. 10 L'etape de retrait de la couche d'oxyde, representee par la figure 4B, permet d'exposer la partie endommagee de la marche 11 que l'on souhaite traiter. Il peut s'agir par exemple d'une gravure chimique humide a froid de l'oxyde avec 5 une solution diluee d'acide fluorhydrique (HF). L'etape de gravure chimique du residu permet le retrait de la partie de la marche 11 endommagee par l'implantation ionique et donc sujette a l'exfoliation. Il peut s'agir par exemple d'une gravure chimique humide a chaud du residu 1' par 10 une solution aqueuse basique de TMAH ou de KOH pour retirer une epaisseur du residu 1' sur une profondeur au moms equivalente a la hauteur de la marche initiale. Il est aussi possible d'envisager d'autres methodes pour preparer la surface telles qu'un polissage et/ou un detourage 15 partiel de bord de plaque par exemple. Cette etape de preparation de la surface met en oeuvre des traitements simples et peu onereux, qui ne permettent toutefois pas d'obtenir une surface parfaitement plane. A l'issue de ces traitements, et quelle que soit la technologie 20 mise en oeuvre au cours de l'etape de preparation de surface, le residu 1 presente toujours une topologie peripherique definissant une marche annulaire 11 residuelle. A la suite de l'etape de preparation de surface, on 25 reproduit les etapes decrites en relation avec le premier mode de mise en oeuvre, c'est a dire que l'on depose l'oxyde lissant sur la face principale 10 du residu pour combler l'espace interne defini par la marche annulaire 11 et recouvrir au moms en partie la marche annulaire 11 ; et que l'on applique 30 un traitement thermique de densification de l'oxyde lissant 6. A l'issue de ce procede on dispose d'un substrat 7, illustre par la figure 4D, comprenant un residu 1' du substrat donneur 1, comprenant sur sa face principale 10 une marche 35 annulaire 11 residuelle. Le residu 1' peut aussi comprendre une couche d'oxyde superficielle 2 (figure 3B). Le substrat 7 comprend aussi une couche d'oxyde 6 sur la face principale 10 du residu 1', la couche d'oxyde 6 comblant l'espace interne 11 defini par la marche annulaire 11 et recouvrant au moins en partie la marche annulaire 11. Un procede conforme a l'invention presente l'avantage, de 5 reduire la perte de matiere, de ne pas necessiter le retrait complet de la marche 11 de la face principale 10 du residu 1, et de fournir une face parfaitement plane. On peut notamment se dispenser d'une 6-tape de « double-sided polishing », qui est generalement necessaire dans les solutions de l'etat de la 10 technique. Il permet de preparer un residu 7 en un nombre restreint d'etapes, en reduisant la perte de matiere, et possedant des proprietes de surface suffisantes pour etre 15 employe, par exemple, en tant que substrat fabrication de substrats pour MEMS. receveur pour la Utilisation Le substrat 7 obtenu a l'issue d'un procede conforme a l'invention peut etre utilise comme substrat receveur pour la 20 fabrication d'un substrat sur isolant, par exemple du type SOI. L'utilisation de ce substrat 7 comprend son assemblage de ce substrat avec un substrat donneur puis l'amincissement donneur pour former une structure sur isolant. 25 Les proprietes de la couche d'oxyde lissant 6, de realiser l'assemblage sans appliquer de thermique d'adhesion a haute temperature. permettent traitement Le substrat 7 peut ainsi de maniere preferee etre utilise 30 comme support dans un procede de report de couche, l'assemblage pouvant comprendre un traitement thermique pouvant se realiser a basse temperature, typiquement entre 100°C et 900°C. De maniere encore plus preferentielle, lesdits traitements thermiques sont realises a des temperatures 35 comprises entre 100 et 500°C, et la couche transferee peut alors etre munie de dispositifs microelectroniques pour une application dans le domaine de l'integration 3D. 12 Bien entendu l'invention n'est pas limitee aux modes de mise en oeuvre decrits et on peut y apporter des variantes de realisation sans sortir du cadre de l'invention REVENDICATIONS1. Procede de preparation du residu (1') d'un substrat donneur (1), le substrat donneur (1) ayant subi un prelevement d'une couche (5) par delamination au niveau d'un plan fragilise (3) par implantation ionique, le residu (1') comprenant sur une face principale (10) une marche annulaire (11) correspondant a une partie non prelevee du substrat donneur, le procede comprenant : a. un depot d'un oxyde lissant (6) sur la face principale du residu (10) pour combler l'espace interne defini par la marche annulaire (11) et recouvrir au moms en partie la marche annulaire (11) ; b. un traitement thermique de densification de l'oxyde lissant (6). 2. Procede de preparation selon la revendication precedente, dans lequel l'oxyde lissant (6) appartient a la famille des SOG (Spin On Glass). 3. Procede de preparation selon l'une des revendications precedentes, dans lequel le traitement thermique de densification presente une temperature comprise entre 225 et 900 °C. 4. Procede de preparation selon l'une des revendications precedentes, dans lequel le traitement thermique de densification est realise sous une atmosphere d'azote (N2). 5. Procede de preparation selon la revendication precedente, dans lequel le depot d'oxyde lissant (6) est realise dans des conditions conduisant a former une couche presentant une epaisseur au mows egale a une fois et demie la hauteur de la marche annulaire (11). 14 6. Procede de preparation selon l'une des revendications precedentes comprenant, avant l'etape de depot, une &tape de preparation de la surface principale (10) du residu (1') comprenant le retrait d'une zone peripherique de la 5 surface principale (10) endommagee par l'implantation ionique. 7. Substrat (7) comprenant : a. un residu (1') d'un substrat donneur (1), le 10 substrat donneur (1) ayant subi un prelevement d'une couche (5) par delamination au niveau d'un plan fragilise (3) par implantation ionique, le residu (1') comprenant sur une face principale (10) une marche annulaire (11) correspondant a une partie non 15 prelevee du substrat donneur (1); b. une couche d'oxyde (6) sur la face principale du residu (1'), la couche d'oxyde (6) comblant l'espace interne defini par la marche annulaire et recouvrant au moins en partie la marche annulaire du residu. 20 Substrat (7) selon la revendication precedente dans lequel la couche d'oxyde presente une epaisseur au mains &gale a une fois et demie la hauteur de la marche annulaire. 25 9. Substrat (7) selon l'une des deux revendications precedentes dans lequel le residu (1') comprend une couche d'oxyde superficielle (2). 30 10.Substrat (7) selon l'une des revendications 7 a 9 dans lequel le substrat donneur (1) est constitue de silicium. 11.Utilisation d'un substrat (7), comprenant : a. La fourniture d'un substrat (7) conforme a l'une des 35 revendications 7 a 10 ; b. L'assemblage du substrat (7) avec un substrat donneur ; 15 c.L'amincissement du substrat donneur pour former une structure sur isolant. 12.Utilisation d'un substrat (7) selon la revendication 5 precedente dans lequel l'assemblage comprend un traitement thermique a une temperature comprise entre 100°C et 500°C.