Brevet FR3093858A1 — publié le 20200918

Description Titre de l'invention : Procédé de transfert d'une couche utile sur un substrat support Domaine technique [0001] La présente invention concerne le domaine de la microélectronique. Elle concerne en particulier un procédé de transfert d'une couche utile sur un substrat support. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION [0002] On connait de l'état de la technique un procédé de transfert d'une couche utile 3 sur un substrat support 4, représenté sur la figure 1 ; ce procédé décrit notamment dans les documents W02005043615 et W02005043616 comprend les étapes suivantes : la formation d'un plan fragile enterré 2 par implantation d'espèces légères dans un substrat donneur 1 de manière à former une couche utile 3 entre ce plan et une surface du substrat donneur ; puis, l'assemblage du substrat donneur 1 sur un substrat support 4 pour former une structure collée 5 ; l'application d'un traitement thermique à la structure collée 5 pour fragiliser le plan fragile enterré ; et enfin, l'initiation d'une onde de fracture par une impulsion d'énergie appliquée au niveau du plan fragile enterré 2 et la propagation auto-entretenue de l'onde de fracture dans le substrat donneur 1, le long dudit plan fragile enterré 2. [0003] Dans ce procédé, les espèces implantées au niveau du plan fragile enterré 2 sont à l'origine du développement de microcavités. Le traitement thermique de fragilisation a pour effet de favoriser la croissance et la mise sous pression de ces microcavités. Par l'intermédiaire d'efforts extérieurs additionnels (impulsion d'énergie), appliqués après le traitement thermique, l'initiation d'une onde de fracture dans le plan fragile enterré 2 est opérée, laquelle onde se propage de manière auto-entretenue, menant au transfert de la couche utile 3 par détachement au niveau du plan fragile enterré 2. Un tel procédé, permet notamment de diminuer la rugosité de surface après transfert. 100041 Ce procédé peut être utilisé pour la fabrication de substrats de silicium sur isolant (SOI - « Silicon on insulator »). Dans ce cas, le substrat donneur 1 et le substrat support 4 sont chacun formés d'une plaquette de silicium dont le diamètre normalisé est typiquement de 200mm, 300mm, voire même 450 mm pour les prochaines générations. L'un et/ou l'autre du substrat donneur 1 et du substrat support 4 sont oxydés en surface. 100051 Les substrats SOI doivent respecter des spécifications très précises. C'est particu- 2 fièrement le cas pour l'épaisseur moyenne et l'uniformité d'épaisseur de la couche utile 3. Le respect de ces spécifications est requis pour le bon fonctionnement des dispositifs semi-conducteurs qui seront formés dans et sur cette couche utile 3. [0006] Dans certains cas, l'architecture de ces dispositifs semi-conducteurs nécessite de disposer de substrats SOI présentant une épaisseur moyenne de la couche utile 3 très faible, par exemple inférieure à 50 nm, et présentant une très bonne uniformité d'épaisseur de la couche utile 3. L'uniformité d'épaisseur attendue peut être de l'ordre de 5% au maximum, correspondant à des variations allant typiquement de +/- 0,3nm à +/- lnrn sur toute la surface de la couche utile 3. Même si des étapes complémentaires de finition, comme des gravures ou des traitements thermiques de lissage de surface, sont réalisées après que la couche utile 3 soit transférée sur le substrat support 4, il est important que les propriétés morphologiques de surface soient les plus favorables possibles après transfert, pour garantir la tenue des spécifications finales. [0007] La demanderesse a observé que les couches utiles 3 transférées selon le procédé précité, issues de structures collées préparées dans des conditions similaires et ayant subi le même traitement thermique de fragilisation, ne présentaient pas des propriétés morphologiques de surface (rugosité, uniformité d'épaisseur) reproductibles de plaque à plaque. La non-reproductibilité des propriétés morphologiques de surface des couches utiles après transfert peut impacter les rendements de production car les étapes de finition ne parviennent pas toujours à ramener la rugosité et l'uniformité d'épaisseur de toutes les couches utiles au niveau requis de spécification. OBJET DE L'INVENTION [0008] La présente invention concerne un procédé de transfert d'une couche utile sur un substrat support. Le procédé vise à obtenir une faible rugosité de surface et unc bonne uniformité d'épaisseur des couches utiles après transfert et à améliorer la reproductibilité plaque à plaque des propriétés morphologiques de surface des couches utiles transférées. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION [0009] L'invention concerne un procédé de transfert d'une couche utile sur un substrat support, comprenant les étapes suivantes : a) la fourniture d'un substrat donneur comportant un plan fragile enterré, la couche utile étant délimitée par une face avant du substrat donneur et le plan fragile enterré ; b) la fourniture d'un substrat support ; c) l'assemblage, selon une interface de collage, du substrat donneur, au niveau de sa face avant, et du substrat support, pour former une structure collée ; d) le recuit de la structure collée pour augmenter le niveau de fragilisation du plan fragile enterré. 3 [0010] Le procédé de transfert est remarquable en ce que : - une contrainte prédéterminée est appliquée au plan fragile enterré au cours de l'étape d) de recuit, pendant une période de temps, la contrainte prédéterminée étant choisie de manière à initier l'onde de fracture lorsqu'un niveau donné de fragilisation est atteint, - au bout de la période de temps, le niveau donné de fragilisation étant atteint, la contrainte prédéterminée provoque l'initiation et la propagation auto-entretenue de l'onde de fracture le long dudit plan fragile enterré, menant au transfert de la couche utile sur le substrat support. [0011] Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou selon toutes combinaisons techniquement réalisables : la période de temps est comprise entre 1 minute à 5 heures ; la période de temps est une fraction de la durée du recuit comprise entre 1% et 100% ; le procédé de transfert est appliqué au traitement collectif d'une pluralité de structures collées, et la contrainte prédéterminée est appliquée au plan fragile enterré de chacune des structures collées, de manière à initier l'onde de fracture lorsque le niveau donné de fragilisation est atteint pour chaque structure collée ; le recuit de l'étape d) est réalisé dans un équipement de traitement thermique de configuration horizontale ou verticale, adapté pour le traitement collectif d'une pluralité de structures collées ; la contrainte prédéterminée est localement appliquée au plan fi-agile enterré de la structure collée au moyen d'un biseau positionné en vis-à-vis de l'interface de collage et exerçant une force d'appui contre des bords chanfreinés des substrats donneur et support de ladite structure collée, pour générer une contrainte en tension dans le plan fragile enterré ; la force d'appui est comprise entre 0.5 N et 50 N ; le niveau donné de fragilisation est défini par la surface occupée par des microcavités dans le plan fi-agile enterré et est choisi entre 1% et 90% préférentiellement entre 5% et 40% ; le recuit de l'étape d) atteint une température maximale comprise entre 300°C et 600°C ; la contrainte prédéterminée est appliquée dès le début du recuit de l'étape d) ; le substrat donneur et le substrat support sont en silicium monocristallin, et dans lequel le plan fragile enterré est formé par implantation ionique d'espèces légères dans le substrat donneur, lesdites espèces légères étant choisies parmi l'hydrogène et l'hélium ou une combinaison d'hydrogène et d'hélium. Brève description des dessins [0012] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée de l'invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles : [0013] [fig.l] La figure 1 présente un procédé de transfert d'une couche mince selon l'état de la technique ; [0014] [fig.2] La figure 2 présente un procédé de transfert conforme à l'invention ; [0015] [fig.3] La figure 3 présente un exemple de traitement collectif d'une pluralité de structures, dans un procédé de transfert conforme à l'invention. Description des modes de réalisation [0016] Dans la partie descriptive, les mêmes références sur les figures pourront être utilisées pour des éléments de même type. Les figures sont des représentations schématiques qui, dans un objectif de lisibilité, ne sont pas à l'échelle. En particulier, les épaisseurs des couches selon l'axe z ne sont pas à l'échelle par rapport aux dimensions latérales selon les axes x et y ; et les épaisseurs relatives des couches entre elles ne sont pas nécessairement respectées sur les figures. Notons que le repère (x,y,z) de la figure 1 s'applique à la figure 2. 100171 L'invention concerne un procédé de transfert d'une couche utile 3 sur un substrat support 4. La couche utile 3 est ainsi nommée car elle est destinée à être utilisée pour la fabrication de composants dans les domaines de la microélectronique ou des micro-systèmes. La couche utile et le substrat support peuvent être de natures variées selon le type de composant et l'application visés. Le silicium étant le matériau semi-conducteur le plus utilisé actuellement, la couche utile et le substrat support peuvent en particulier être en silicium monocristallin mais ne sont bien-sûr pas limités à ce matériau. 100181 Le procédé de transfert selon l'invention comprend tout d'abord une étape a) de fourniture d'un substrat donneur I, duquel sera issu la couche utile 3. Le substrat donneur 1 comporte un plan fragile enterré 2 (figure 2 - a)). Ce dernier est avantageusement formé par implantation ionique d'espèces légères dans le substrat donneur 1, à une profondeur définie. Les espèces légères sont préférentiellement choisies parmi l'hydrogène et l'hélium, ou une combinaison d'hydrogène et d'hélium, car ces espèces sont favorables à la formation de microcavités autour de la profondeur définie d'implantation, donnant lieu au plan fragile enterré 2. 100191 La couche utile 3 est délimitée par une face avant la du substrat donneur 1 et le plan fragile enterré 2. [0020] Le substrat donneur 1 peut être formé par au moins un matériau choisi parmi le silicium, le germanium, le carbure de silicium, les semi-conducteurs composés IV-IV, III-V ou II-VI, les matériaux piézoélectriques (par exemple, LiNhO3, LiTaO3,...), etc. Il peut en outre comporter une ou plusieurs couches superficielles disposée(s) sur sa face avant la et/ou sur sa face arrière 1 b, de toutes natures, par exemple diélectrique(s). [0021] Le procédé de transfert comprend également une étape h) de fourniture d'un substrat support 4 (figure 2- h)). [0022] Le substrat support peut par exemple être formé par au moins un matériau choisi parmi le silicium, le carbure de silicium, le verre, le saphir, le nitrure d'aluminium, ou tout autre matériau susceptible d'être disponible sous forme de substrat. Il peut également comporter une ou plusieurs couche(s) superficielle(s) de toutes natures, par exemple diélectrique(s). [0023] Comme énoncé précédemment, une application intéressante du procédé de transfert selon l'invention est la fabrication de substrats SOL Dans ce cas particulier, le substrat donneur 1 et le substrat support 4 sont en silicium monocristallin, et l'un et/ou l'autre desdits substrats comporte une couche superficielle d'oxyde de silicium 6 sur sa face avant. [0024] Le procédé de transfert comprend ensuite une étape c) d'assemblage, selon une interface de collage 7, du substrat donneur 1 au niveau de sa face avant l a, et du substrat support 4, pour former une structure collée 5 (figure 2 - c)). [0025] L'assemblage peut être réalisé par toute méthode connue, notamment par collage direct par adhésion moléculaire, ou par thermocompression, ou encore par collage électrostatique. Ces techniques bien connues de l'état de la technique ne seront pas décrites en détail ici. On rappelle néanmoins que, préalablement à l'assemblage, les substrats donneur 1 et support 4 auront subi des séquences de nettoyages et/ou d'activation de surface, de manière à garantir la qualité de l'interface de collage 7 en termes de défectivité et d'énergie de collage. [0026] Dans le procédé de transfert selon l'invention, une étape d) de recuit de la structure collée 5 est alors effectuée, pour augmenter le niveau de fragilisation du plan fragile enterré 2. La gamme de températures dans laquelle le recuit peut être opéré pour cette fragilisation du plan enterré 2 dépend essentiellement du type de structure collée 5 (homo-structure ou hétéro-structure) et de la nature du substrat donneur 1. [0027] A titre d'exemple, dans le cas d'un substrat donneur 1 et d'un substrat support 4 en silicium, le recuit de l'étape d) atteint une température maximale typiquement comprise entre 200°C et 600°C, avantageusement entre 300 et 500°C, et encore plus avantageusement entre 350°C et 450°C. [0028] Le recuit peut comporter une rampe de montée en température (typiquement entre 6 200°C et la température maximale) et un palier à la température maximale. En général, un tel recuit va avoir une durée comprise entre quelques dizaines de minutes et plusieurs heures, en fonction de la température maximale du recuit. Le couple temps / température détermine le budget thermique appliqué à la structure collée 5 au cours du recuit. [0029] Le niveau de fragilisation du plan fragile enterré 2 est défini par la surface occupée par les microcavités présentes dans le plan fragile enterré 2. Dans le cas d'un substrat donneur 1 en silicium, la caractérisation de cette surface occupée par les microcavités peut s'effectuer par microscopie infrarouge. [0030] Le niveau de fragilisation peut augmenter depuis un niveau faible (