Brevet FR3079659A1 — publié le 20191004

PROCEDE DE FABRICATION D'UN SUBSTRAT DONNEUR POUR LA REALISATION D'UNE STRUCTURE INTEGREE EN TROIS DIMENSIONS ET PROCEDE DE FABRICATION D'UNE TELLE STRUCTURE INTEGREE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne la fabrication d'un substrat dit « substrat donneur » pour la réalisation d'une structure intégrée en trois dimensions de type semi-conducteur sur isolant. L'invention se rapporte également à un procédé de fabrication d'une telle structure intégrée en trois dimensions, qui est formée d'un empilement de couches, et en particulier de couches munies de dispositifs électroniques, par transfert d'une couche du substrat donneur sur un second substrat, dit « substrat receveur ». ETAT DE LA TECHNIQUE Une structure intégrée en trois dimensions, notamment de type semi-conducteur sur isolant, dite structure « semiconductor on insulator » (acronyme Se01) en anglais, en particulier « silicon on insulator » (SOI) lorsque le matériau semi-conducteur est du silicium, comprend un empilement de plusieurs couches, dont en particulier des couches dans lesquelles sont formés des dispositifs ou circuits électroniques dites « couches actives ». Les procédés de fabrication de telles structures intégrées sont typiquement désignés en tant que procédés d'intégration en trois dimensions (3D). Parmi les procédés d'intégration possibles, l'intégration 3D par transfert de couche d'un substrat donneur sur un substrat receveur se présente comme étant une solution prometteuse pour empiler des couches actives. Conformément à ce type de procédé, on crée dans le substrat donneur une zone dite « de fragilisation » qui délimite une couche à transférer, on colle le substrat donneur sur le substrat receveur, puis on détache le substrat donneur le long de la zone de fragilisation, de manière à transférer la couche sur le substrat receveur. Un procédé de transfert de couche bien connu est le procédé Smart CutTM, dans lequel la zone de fragilisation est créée par implantation d'atomes d'hydrogène et/ou d'hélium dans le substrat donneur à une profondeur prédéterminée qui correspond sensiblement à l'épaisseur de la couche à transférer. Le procédé Smart CutTM est avantageux car il permet de réutiliser le substrat donneur après transfert de la couche pour d'autres applications ultérieures, et permet de transférer des couches minces de manière uniforme. Des tentatives d'implantations d'ions à grande profondeur ont été réalisées afin de transférer, conformément au procédé Smart CutTM, des couches actives de forte épaisseur, en augmentant l'énergie d'implantation. Cependant, plus l'énergie 2 d'implantation est élevée, plus la quantité d'ions à implanter doit être élevée, et plus le courant d'implantation (densité de courant) est faible, ce qui aboutit à une augmentation des coûts de production et limite la faisabilité du procédé. De plus, l'implantation ionique est réalisée par exposition de la face active du 5 substrat donneur contenant les dispositifs électroniques au rayonnement ionique. Ce rayonnement cause des dommages aux dispositifs électroniques de la couche active, et il est donc nécessaire de prévoir des étapes additionnelles visant à réparer les dispositifs électroniques endommagés. Les dommages causés aux dispositifs électroniques sont d'autant plus importants que l'énergie d'implantation et la quantité d'ions à implanter sont 10 élevées. Pour conserver les propriétés électriques des dispositifs électroniques, il serait envisageable d'appliquer un budget thermique pour retirer l'hydrogène et activer le dopage. Cependant, dans ce cas, la température doit être supérieure à 700°C, ce qui n'est pas compatible avec la fabrication de structure 3D par empilement de couches 15 actives. Il a été envisagé de réaliser une croissance par épitaxie en phase solide afin de diminuer le budget thermique. On peut ainsi arriver à une température légèrement supérieure à 525°C dans le cas d'une épitaxie du silicium, ce qui reste élevé. Il est possible de diminuer encore le budget thermique pour atteindre une température de l'ordre de 475°C, au détriment du temps de recuit thermique qui augmente alors très 20 fortement et devient nettement supérieur à 24 heures, ce qui n'est pas compatible avec les cadences de production industrielles. L'épaisseur totale des empilements des dispositifs électroniques en face avant et en face arrière sera limitée, puisqu'elle devra être inférieure à la profondeur de pénétration des ions. On se retrouve alors avec une épaisseur totale très faible, inférieure ou égale à 25 environ 1 ou 2 micromètres, même lorsque les ions utilisés présentent un haut niveau d'énergie. Par ailleurs, les couches à empiler comprennent des couches de silicium, mais également des couches diélectriques et métalliques. Réaliser une implantation ionique suffisamment profonde nécessite donc une énergie élevée et une très grande quantité 30 d'ions implantée afin de permettre un bon détachement du substrat donneur ultérieurement. Or, étant donné que le courant d'implantation ionique peut décroitre de manière conséquente avec l'énergie, la durée de l'implantation ionique nécessaire au détachement du substrat donneur et au transfert d'une couche active est très élevée, ce qui est un inconvénient majeur à la réalisation d'un tel procédé. 35 Enfin, la profondeur d'implantation des ions dépend des caractéristiques physico- chimiques des couches actives, qui peuvent plus ou moins freiner les ions lors de l'implantation ionique. Par exemple, les couches actives peuvent différer au niveau de l'agencement des couches métalliques qu'elles contiennent, certaines zones contenant du 3 métal et d'autres non, ce qui influe sur le comportement des ions qui traversent ces zones des couches actives. Ceci aboutit à la formation d'une zone de fragilisation discontinue et ainsi à un mauvais détachement du substrat donneur le long cette zone de fragilisation. D'autres techniques de transfert sont également utilisables. 5 Parmi celles-ci, l'empilement de puces de différentes fonctions ou « chip stacking » en terminologie anglo-saxonne, consiste à partir d'un substrat de faible épaisseur, à coller les puces sur le substrat en les empilant les unes sur les autres pour former une structure 3D puis d'interconnecter les puces et le substrat par des moyens prévus à cet effet tels que par câblage ou par utilisation de couches de silicium interposées entre deux puces. 10 On obtient ainsi une structure 3D multifonctionnelle du fait des différentes fonctions des puces assemblées. Le principal inconvénient de cette technique, outre son coût élevé, est que l'alignement des puces ainsi assemblées n'est pas optimal (typiquement REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un substrat donneur (20) pour la réalisation d'une structure intégrée en trois dimensions (40), comprenant les étapes suivantes : - fourniture d'un substrat semi-conducteur (10) comprenant une couche superficielle (14), dite couche active, et une couche (11) comprenant une pluralité de cavités (12) s'étendant sous la couche active, chaque cavité (12) étant séparée d'une cavité adjacente par une cloison (13), - formation d'un dispositif électronique (15) dans une région (14A) de la couche active (14) située à l'aplomb d'une cavité (12), - dépôt d'un masque de protection (17) sur la couche active (14) de sorte à recouvrir ledit dispositif électronique (15) tout en exposant une région (16) de la couche active située à l'aplomb de chaque cloison (13), - implantation d'espèces atomiques au travers des régions de la couche active exposées par le masque, pour former une zone de fragilisation (19) dans chaque cloison (13). 2. Procédé de fabrication d'une structure intégrée en trois dimensions (40), formée d'un empilement de couches actives (14) munies de dispositifs électroniques (15), par transfert d'une couche d'un substrat donneur (20) sur un substrat receveur (30), ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - fabrication du substrat donneur (20) par le procédé de fabrication selon la revendication 1, - collage du substrat donneur (20) sur le substrat receveur (30), la surface du substrat donneur opposée aux zones de fragilisation (19) par rapport à la couche active (14) à transférer étant à l'interface de collage, - détachement du substrat donneur (20) le long des zones de fragilisation (19) afin de transférer au moins une partie de la couche active (14) sur le substrat receveur (30). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel, préalablement à implantation d'espèces atomiques pour former une zone de fragilisation (19) dans les cloisons (13), on met en oeuvre une gravure sélective de la couche active (14) pour retirer au moins une portion de la couche active située à l'aplomb d'une cloison (13). 18 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel on réalise en outre, préalablement à l'implantation d'espèces atomiques pour former une zone de fragilisation (19) dans les cloisons (13), des tranchées (24) s'étendant dans lesdites cloisons (13) au-delà des cavités (12), de sorte à isoler au moins 5 une cavité (12) des autres cavités. 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel, avant le dépôt du masque de protection (17), on dépose une couche additionnelle (25) formant une surépaisseur sur une portion de couche active (14A) située à l'aplomb de 10 ladite cavité isolée (12A). 6. Procédé selon la revendication 2 en combinaison avec la revendication 4 ou la revendication 5, dans lequel le détachement du substrat donneur (20) est réalisé le long des zones de fragilisation (19) formées par implantation 15 d'espèces atomiques dans des parties de cloison (13A) résultant de la formation des tranchées (24), et la portion de couche active (14A) située à l'aplomb de la cavité isolée (12A) est transférée sélectivement sur le substrat receveur (30). 20 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat semi-conducteur (10) est fabriqué par la mise en oeuvre des étapes suivantes : - réaliser une pluralité de cavités (12) à la surface d'un substrat (1) pour former la couche (11) comprenant lesdites cavités (12), 25 - transférer la couche active (14) sur le substrat (1) pour fermer les cavités (12). 8. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 7, dans lequel les cavités (12) sont formées par gravure sèche et/ou gravure humide. 30 9. Procédé selon l'une des revendications 1, 7, ou 8, dans lequel les cavités (12) sont creuses. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 7, dans lequel les cavités (12) 35 sont formées par un traitement électrochimique. 11. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les cavités (12) sont formées par la mise en oeuvre des étapes suivantes : - dépôt d'un masque de protection (2) sur une surface libre d'un substrat (1), le masque de protection étant disposé de manière à ménager des 19 portions de surface couvertes et des portions de surface non couvertes (3), - implantation d'espèces atomiques dans le substrat à l'aplomb des portions de surface non couvertes (3) par le masque de protection, des 5 zones d'implantation (5) en exposant la face du substrat recouverte du masque à un flux d'espèces atomiques incident, - réalisation d'un recuit thermique du substrat (1) afin de former des cavités (12) au niveau des zones d'implantation (5). 10 12. Procédé selon l'une des revendications 1, 10 ou 11, dans lequel chaque cavité (12) est constituée d'un milieu poreux présentant une porosité supérieure ou égale à 20%, de préférence supérieure ou égale à 30%, par rapport au volume total de la cavité. 15 13. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le transfert de la couche active (14) sur la couche (11) comprenant les cavités est réalisé par la mise en oeuvre des étapes suivantes : - implantation d'espèces atomiques pour former une zone de fragilisation dans un second substrat donneur en matériau semi-conducteur, afin de 20 délimiter une couche en matériau semi-conducteur à transférer, - collage du second substrat donneur sur la couche (11) comprenant les cavités du substrat donneur, la surface de la couche à transférer opposée à la zone de fragilisation par rapport à la couche à transférer étant à l'interface de collage, 25 - détachement du second substrat donneur le long de la zone de fragilisation afin de transférer la couche en matériau semi-conducteur sur le substrat. 14. Substrat donneur (10) comprenant une couche active (14) destinée à être 30 transférée sur un substrat receveur (20), caractérisé en ce qu'il comprend : - une couche (11) comprenant des cavités (12) qui s'étendent dans l'épaisseur du substrat donneur (10) et qui sont délimitées par des cloisons (13), - une couche active (14) située sur la couche (11) comprenant les cavités, 35 comprenant au moins un dispositif électronique (15), chaque dispositif électronique étant agencé dans une région (14A) de la couche active située à l'aplomb d'une cavité, - des zones de fragilisation (19) dans au moins une partie des cloisons (13) séparant les cavités (12).