Brevet FR3100083A1 — publié le 20210226

Description Titre de l'invention : Procédé de guérison d'une couche implantée comprenant un traitement thermique préalable à une recristal- lisation par recuit laser Domaine technique 100011 Le domaine de l'invention est celui des procédés de transfert d'une couche semi- conductrice d'un substrat donneur vers un substrat receveur qui mettent en oeuvre une fracture le long d'un plan de fragilisation formé par implantation d'espèces dans le substrat donneur. L'invention concerne plus particulièrement la guérison de défauts causés par l'implantation. Technique antérieure [0002] La technologie Smart CutTM est une technique bien connue pour permettre le transfert de couches minces de matériaux semi-conducteurs. Selon cette technique, des espèces ioniques telles que de l'hydrogène et/ou de l'hélium sont implantées dans un substrat donneur afin d'y former un plan de fragilisation. Le substrat donneur est par la suite mis en contact avec un substrat receveur, par exemple par collage direct. Cette technique fait ensuite appel au développement, des défauts générés au niveau du plan de fragilisation. Ce développement implique un apport énergétique, généralement réalisé au moyen d'un traitement thermique de quelques centaines de degrés, 500°C typiquement, pendant quelques dizaines de minutes. Cela conduit à la formation d'une couche confinée de cavités et de microfissures au sein de laquelle va s'initier et se propager une fracture. Cette fracture sépare le substrat donneur le long du plan de fragilisation et une couche mince du substrat donneur est ainsi transférée sur le substrat receveur. [0003] Après le transfert, des défauts sont présents dans la couche mince transférée qui a été traversée par les espèces implantées. Ces défauts peuvent notamment correspondre à des défauts dans le réseau cristallin de la couche ou à des résidus des espèces implantées. De tels défauts dégradent fortement le fonctionnement des dispositifs électroniques formés dans ou sur la couche transférée. Il est donc nécessaire de les guérir. La technique couramment utilisée pour réaliser cette guérison est un traitement thermique à haute température. Cc traitement thermique atteint généralement des températures supérieures à 900°C, typiquement 1100-1200°C et dure quelques secondes (environ 30 secondes pour un recuit thermique rapide RTA (« Rapid Thermal Anncaling ») ou quelques minutes, voire quelques heures, dans un four vertical. Dans tous les cas, l'intégralité du substrat receveur sur lequel la couche mince a été transférée subit un traitement thermique bien au-delà de 500°C. 2 100041 La mise en oeuvre de cette technique de guérison n'est néanmoins pas envisageable lorsque que la couche mince est transférée sur un substrat receveur susceptible d'être endommagé par l'application d'un traitement thermique à haute température. C'est le cas par exemple des substrats en polymère utilisés notamment en électronique flexible ou encore des substrats en verre qui fondent à une température proche de 600°C. C'est également le cas en intégration 3D séquentielle où les substrats présentent déjà des composants partiellement ou totalement fabriqués et comprennent donc éventuellement des lignes de cuivre qui se dégradent à partir de 400°C-500°C, des contacts en siliciure de nickel dont la conductivité peut être détériorée au-delà de 550°C, etc. [0005] Une solution de guérison alternative consiste à générer une amorphisation partielle, le plus souvent par implantation ionique, de la couche mince transférée. Cette amorphisation est suivie d'un recuit de recristallisation en phase solide dit de SPER (« Solid Phase Epitaxial Regrowth »). À des températures inférieures à 500C, la recristallisation par recuit SPER est très lente, voire infructueuse et le recuit SPER nécessite en pratique un budget thermique proche de celui utilisé pour déclencher la fracture. En conséquence, il n'est pas possible de mettre en oeuvre cette solution avant le collage du substrat donneur avec le substrat receveur. Par ailleurs, pour permettre la recristallisation pendant le recuit de SPER, il est nécessaire de laisser une partie de la couche mince transférée sans aucune amorphisation. De ce fait, la guérison des défauts proches du fond de la couche n'est pas possible. Enfin, la recristallisation SPER présente des difficultés à recristalliser les derniers nanomètres proches (le la surface du fait de vitesses de recristallisation différentes selon les directions cristallines et de la présence de défauts d'empilements dans la direction cristalline (111). Exposé de l'invention [0006] L'invention s'inscrit dans un contexte où : - une technique de guérison des défauts liés à l'implantation ionique dans le substrat donneur qui serait mise en oeuvre avant transfert ne peut venir traiter le substrat donneur à haute température (typiquement à une température supérieure à 300°C) après l'implantation ionique au risque de provoquer un huilage, c'est à dire une maturation de microcavités dans le plan de fragilisation qui, en l'absence d'un raidisseur rapporté sur le substrat donneur, conduirait à une déformation de sa surface susceptible de contrarier un collage avec le substrat receveur ; et - une technique de guérison des défauts liés à l'implantation ionique dans le substrat donneur qui serait quant à elle mise en oeuvre après transfert ne peut incorporer un traitement thermique au-delà de 500°C pour les raisons exposées ci-dessus. [0007] L'invention a pour objectif de proposer une solution de guérison des défauts liés à l'implantation qui puisse être mise en oeuvre à relativement basse température et être 3 ainsi appliquée au transfert d'une couche semi-conductrice sur un substrat receveur présentant des caractéristiques qui interdisent des traitements à haute température et qui s'affranchisse des inconvénients des solutions discutées précédemment. [0008] À cet effet, l'invention propose un procédé de guérison de défauts liés à une im- plantation d'espèces réalisée dans un substrat donneur en un matériau semi-conducteur pour y former un plan de fragilisation séparant une couche mince d'une partie massive du substrat donneur. Cc procédé comporte les étapes suivantes : amorphisation superficielle de la couche mince ; application d'un traitement thermique à la couche mince superficiellement amorphisée ; après la formation du plan de fragilisation, application d'un recuit laser à la couche mince superficiellement amorphisée et therrniquement traitée pour la recristalliser en phase solide. [0009] Certains aspects préférés mais non limitatifs de cc procédé sont les suivants : l'amorphisation superficielle de la couche mince est induite par une implantation ionique ; le recuit laser est réalisé au moyen d'une irradiation dc la couche mince avec une ou plusieurs impulsions laser, la durée dc la ou des impulsions laser étant inférieure à une microseconde, dc préférence comprise entre 20 et 200 nanosecondes ; la ou les impulsions laser présentent une longueur d'onde inférieure à 450 nm ; la ou les impulsions lasser laser présentent une densité surfacique d'énergie choisie pour échauffer une portion avant de la couche mince à une température supérieure à 1000°C, de préférence supérieure à 1200°C; les étapes d'amorphisation superficielle de la couche mince et d'application d'un traitement thermique à la couche mince superficiellement amorphisée sont mises en oeuvre avant la formation du plan de fragilisation ; les étapes d'amorphisation superficielle de la couche mince et d'application d'un traitement thermique à la couche mince superficiellement amorphisée sont mises en oeuvre après la formation du plan de fragilisation ; les étapes d'amorphisation superficielle de la couche mince, d'application d'un traitement thermique à la couche mince superficiellement amorphisée et d'application du recuit laser sont mises en oeuvre après fracture le long du plan de fragilisation et transfert de la couche mince sur un substrat receveur ; la couche mince incorpore une couche d'arrêt de gravure ; le traitement thermique appliqué à la couche mince superficiellement amorphisée est un recuit à une température inférieure à 450°C ; le traitement thermique appliqué à la couche mince superficiellement amorphisée est réalisé au cours d'une opération de dépôt d'une couche de collage sur le substrat donneur. [0010] L'invention s'étend à un procédé dc transfert d'une couche mince d'un substrat donneur en un matériau semi-conducteur vers un substrat receveur, le procédé comprenant les étapes de : - formation par implantation d'espèces d'un plan de fragilisation dans le substrat donneur, ledit plan séparant la couche mince d'une partie massive du substrat donneur ; - mise en contact du substrat donneur et du substrat receveur pour former un ensemble à fracturer ; - fracture de l'ensemble à fracturer le long du plan dc fragilisation dc manière à transférer la couche mince ; [0011] caractérisé en ce qu'il comporte : - des étapes d'amorphisation superficielle de la couche mince et d'application d'un traitement thermique à la couche mince superficiellement amorphisée ; et - après la formation du plan de fragilisation et avant la mise en contact, une étape d'application d'un recuit laser à la couche mince superficiellement amorphisée et thermiquement traitée pour la recristalliser en phase solide. [0012] La fracture comprend typiquement un traitement thermique de fragilisation appliqué à l'ensemble à fracturer qui échauffe le plan de fragilisation à une température supérieure à celle à laquelle il est échauffé par le recuit laser. Brève description des dessins [0013] D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture dc la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence à la figure annexée sur laquelle : [0014] [fig.1] est un schéma d'un exemple de procédé selon l'invention de transfert d'une couche mince semi-conductrice dans lequel est réalisée une guérison de défauts liés à l' implantation. Description des modes de réalisation 10015] L'invention porte sur un procédé de guérison de défauts occasionnés par une im- plantation d'espèces réalisée dans un substrat semi-conducteur, dit substrat donneur, pour y former un plan de fragilisation séparant une couche mince d'une partie massive du substrat. 10016] L'invention trouve notamment application au transfert de la couche mince sur un substrat receveur conformément à la technologie Smart Cuttm, et plus particulièrement sur un substrat receveur présentant des caractéristiques qui interdisent des traitements à haute température, typiquement à plus de 500°C. Dans ce cadre, le procédé selon l'invention permet de guérir les défauts présents dans la couche mince avant son transfert sur le substrat receveur. Le procédé selon l'invention peut également permettre de guérir les défauts présents dans la couche mince après son transfert sur le substrat receveur. [0017] On décrit dans cc qui suit en référence à la figure 1 différentes étapes El -E6 d'un procédé de transfert d'une couche mince d'un substrat donneur en un matériau semiconducteur vers un substrat receveur dans lequel le procédé de guérison selon l'invention est mis en oeuvre avant transfert. Il est entendu qu'une telle guérison peut similaircment être réalisée après transfert, indépendamment ou en complément d'une guérison avant transfert. [0018] Ce procédé débute par une étape de fourniture du substrat donneur 1 qui peut être un substrat de silicium, ou en tout autre matériau semi-conducteur. À titre d'exemples, il peut s'agir de silicium-germanium, de germanium ou d'un matériau 111-V. [0019] Dans une étape El, le substrat donneur 1 est soumis à une étape d'amorphisation su- perficielle, par exemple à l'aide d'une implantation d'ions lourds, pour former une zone amorphe superficielle 2 qui va constituer une portion avant dc la couche mince à transférer. [0020] Cette implantation peut être à base notamment d'une ou plusieurs des espèces suivantes : silicium, germanium, phosphore, arsenic, azote ou argon avec une dose typiquement comprise entre 10'4 et 10'6 at/cm2. À titre d'exemple, avec une dose de 2.10 '5 at/cm2, une implantation de germanium conduit à une profondeur amorphisée allant de 4,7 nm à 10,6 nm pour une énergie d'implantation allant de 1 keV à 3,5 keV. [0021] Dans une étape E2, un recuit basse température est appliqué au substrat donneur qui vient recuire la couche mince superficiellement ammphisée. Ce recuit permet de lisser l'interface entre la zone amorphe 2 et le substrat cristallin 1. Ce recuit de lissage est typiquement réalisé à une température inférieure à 450°C, ce qui autorise la réalisation du procédé de guérison selon l'invention après transfert. Ce recuit est généralement réalisé à une température supérieure à une température supérieure à 200°C, de préférence à une température comprise entre 300°C et 450 °C. [0022] Dans une variante de réalisation, le budget thermique de ce recuit de lissage est apporté au cours d'une opération de dépôt d'une couche de collage, par exemple en un oxyde ou un nitrure, sur le substrat donneur. Cette couche de collage est choisie de manière à ne pas entraver la recristallisation en phase solide ultérieure de la zone amorphe qui réalisée par recuit laser. La couche de collage peut ainsi être réalisée en un matériau peu absorbant vis-à-vis du rayonnement du faisceau laser (par exemple de l'oxyde de silicium, du nitrure de silicium ou tout autre matériau conduisant à une absorption inférieure à 10% dans la gamme de longueur d'ondes du faisceau laser) ou présenter une épaisseur suffisamment faible pour qu'une partie majoritaire de l'énergie apportée par le laser soit absorbée par la zone amorphe (soit pour la plupart des sellai- 6 conducteurs, une épaisseur typiquement inférieure à 20 nm, de préférence inférieure à 10 nm). [0023] Dans une variante, le procédé comprend une opération de dépôt d'une couche de collage indépendante du recuit de lissage. On relèvera que si la température de dépôt est supérieure à 500°C, une recristallisation de la zone amorphe va s'opérer lors du dépôt. Il faut alors dans ce cas de figure prévoir une profondeur d'amoeisation plus importante pour que cette recristallisation ne soit que partielle. On relèvera par ailleurs que si la température de dépôt est suffisamment basse, typiquement inférieure à REVENDICATIONS[Revendication I] Procédé dc guérison de défauts liés à une implantation d'espèces réalisée dans un substrat donneur (I) en un matériau semi-conducteur pour y former un plan de fragilisation (5) séparant une couche mince (4) d'une partie massive du substrat donneur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantcs : - amorphisation superficielle dc la couchc mince ; - application d'un traitement thermique à la couche mince superficiellement amorphisée ; - après la formation du plan de fragilisation, application d'un recuit laser à la couche mince superficiellement amorphisée et thermiquement traitée pour la recristalliser en phase solide. [Revendication 2] Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'amorphisation super- ficielle de la couche mince est induite par une implantation ionique. [Revendication 3] Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le recuit laser est réalisé au moyen d'une irradiation de la couche mince (4) avec une ou plusieurs impulsions laser, la durée de la ou des impulsions laser étant inférieure à une microseconde, de préférence comprise entre 20 et 200 nanosecondes. [Revendication 4] Procédé selon la revendication 3, dans lequel la ou les impulsions laser présentent une longueur d'onde inférieure à 450 nm. [Revendication 5] Procédé selon l'une des revendications 3 et 4, dans lequel la ou les im- pulsions lasser laser présentent une densité surfacique d'énergie choisie pour échauffer une portion avant de la couche mince à une température supérieure à 1000°C, de préférence supérieure à 1200°C. [Revendication 6] Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les étapes d'ainorphisation superficielle de la couche mince et d'application d'un traitement thermique à la couche mince superficiellement amorphisée sont mises en oeuvre avant la formation du plan de fragilisation (5). [Revendication?] Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les étapes d'amorphisation superficielle de la couche mince et d'application d'un traitement thermique à la couche mince superficiellement amorphisée sont mises en oeuvre après la formation du plan de fragilisation (5). [Revendication 8] Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les étapes d'amorphisation superficielle de la couche mince. d'application d'un 12 [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] [Revendication 12] [Revendication 13] traitement thermique à la couche mince superficiellement amorphisée et d'application du recuit laser sont mises en oeuvre après fracture le long du plan de fragilisation et transfert de la couche mince sur un substrat receveur (6). Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel la couche mince incorpore une couche d'arrêt de gravure. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le traitement thermique appliqué à la couche mince superficiellement amorphisée est un recuit à une température inférieure à 450°C. Procédé selon la revendication 10, dans lequel le traitement thermique appliqué à la couche mince superficiellement amorphisée est réalisé au cours d'une opération de dépôt d'une couche de collage (7) sur le substrat donneur. Procédé de transfert d'une couche mince (4) d'un substrat donneur (1) en un matériau semi-conducteur vers un substrat receveur (6), le procédé comprenant les étapes de - formation par implantation d'espèces d'un plan de fragilisation (5) dans le substrat donneur, ledit plan séparant la couche mince (4) d'une partie massive du substrat donneur ; - mise en contact du substrat donneur (1) et du substrat receveur (6) pour former un ensemble à fracturer ; - fracture de l'ensemble à fracturer le long du plan de fragilisation (5) de manière à transférer la couche mince ; caractérisé en ce qu'il comporte : - des étapes d' amorphisation superficielle de la couche mince et d'application d'un traitement thermique à la couche mince superficiellement amorphisée ; et - après la formation du plan de fragilisation et avant la mise en contact, une étape d'application d'un recuit laser à la couche mince superficiellement amorphisée et thermiquement traitée pour la recristalliser en phase solide. Procédé selon la revendication 12, dans lequel la fracture comprend un traitement thermique de fragilisation appliqué à l'ensemble à fracturer qui échauffe le plan de fragilisation à une température supérieure à celle à laquelle il est échauffé par le recuit laser.