Brevet FR3093859A1 — publié le 20200918

Description Titre de l'invention : Procédé de transfert d'une couche utile sur une 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 et désigné par la dénomination « Smart CutTM » 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 ; puis, l'application d'un traitement thermique à la structure collée 5 pour fragiliser le plan fragile enterré ; et enfin, l'initiation et propagation auto-entretenue d'une onde de fracture dans le substrat donneur 1, le long du 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- lièrement le cas pour l'épaisseur moyenne et l'uniformité d'épaisseur de la couche utile 2 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 +/- lrun 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 (en particulier, uniformité d'épaisseur et rugosité de surface) soient les plus favorables possibles après transfert, pour garantir la tenue des spécifications finales. [0007] La demanderesse a observé que, lorsque l'initiation de l'onde de fracture est réalisée après le traitement thermique, à température ambiante, par une impulsion d'énergie appliquée au plan fragile enterré 2, certaines couches utiles 3 peuvent comporter, après transfert, des motifs irréguliers de type marbrure se traduisant par des variations locales d'épaisseur dont l'amplitude est de l'ordre du nm ou du demi-nanomètre. Ces marbrures peuvent être réparties sur la totalité de la couche utile 3, ou sur une partie seulement. Elles contribuent à la non-uniformité de la couche utile 3. [0008] Ce type de non-uniformité d'épaisseur de la couche utile 3 est très difficile à éliminer par les techniques usuelles de finition (gravure, oxydation sacrificielle, traitement thermique de lissage) car ces dernières ne sont pas efficaces pour gommer des motifs irréguliers de cette amplitude. OBJET DE L'INVENTION [0009] La présente invention concerne un procédé de transfert d'une couche utile sur un substrat support et vise notamment à améliorer l'uniformité d'épaisseur des couches utiles transférées. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION [0010] 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 lui appliquer un budget thermique de fragi- 3 lisation et amener le plan fragile enterré jusqu'à un niveau de fragilisation défini, ledit recuit atteignant une température de palier maximale ; e) l'initiation d'une onde de fracture dans le plan fragile enterré, par application d'une contrainte à la structure collée, l'onde de fracture se propageant de manière auto-entretenue le long du plan fragile enterré pour mener au transfert de la couche utile sur le substrat support ; [0011] Le procédé de transfert est remarquable en ce que l'initiation de l'étape c) est opérée lorsque la structure collée subit un gradient thermique définissant une région chaude et une région froide de ladite structure collée, la contrainte étant localement exercée dans la région froide, et la région chaude subissant une température inférieure à la température de palier maximale. [0012] Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou selon toutes combinaisons techniquement réalisables : le gradient thermique est choisi entre 20°C et 100°C, préférentiellement entre 60°C et 90°C, encore préférentiellement autour de 80°C ; la température de palier maximale est comprise entre 300°C et 600°C ; l'étape d) de recuit est opérée dans un équipement de traitement thermique et l'initiation de l'étape c) est opérée lorsque la structure collée sort dudit équipement de traitement thermique ; l'équipement de traitement thermique est un four de configuration horizontale ou verticale, adapté pour le traitement collectif d'une pluralité de structures collées ; l'initiation de l'étape e) est opérée lorsque la région chaude de la structure collée subit une température comprise entre 150°C et 250°C ; le budget thermique de fragilisation est compris entre 40% et 95% d'un budget thermique de fracture, le budget thermique de fracture étant celui qui mène à une initiation spontanée de l'onde de fracture dans le plan fi-agile enterré au cours du recuit ; la contrainte est exercée en périphérie de la structure collée, par insertion d'un biseau, en vis-à-vis de l'interface de collage de la structure collée, entre des bords chanfreinés respectivement du substrat donneur et du substrat support de ladite structure collée ; 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 [0013] 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 : [0014] [fig.11 La figure 1 présente un procédé de transfert. d'une couche mince selon l'état de la technique ; [0015] [fig.21 La figure 2 présente un procédé de transfert conforme à l'invention ; [0016] [fig.3a1 [0017] [fig.3b1 Les figures 3a et 3b présentent des cartographies de « haze » en surface de couches utiles comportant des non-uniformités d'épaisseur après transfert ; [0018] [fig.41 La figure 4 présente une cartographie de « haze » en surface d'une couche utile transférée par un procédé de transfert conforme à l'invention ; [0019] W8.51 La figure 5 présente une étape d'un procédé de transfert conforme à l' invention ; [0020] [fig.6] La figure 6 présente un graphe montrant l'évolution des températures et du gradient thermique vus par une structure collée dans une étape d'un procédé de transfert conforme à l'invention ; [0021] [fig.7] La figure 7 présente une étape d'un procédé de transfert conforme à l' invention. Description des modes de réalisation [0022] 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. 100231 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. 100241 Le procédé de transfert selon l'invention comprend tout d'abord une étape a) de fourniture d'un substrat donneur 1, 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 rnicrocavités autour de la profondeur définie d'implantation, donnant lieu au plan fragile enterré 2. [0025] La couche utile 3 est délimitée par une face avant la du substrat donneur 1 et le plan fragile enterré 2. [0026] 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 couche(s) superficielle(s) disposée(s) sur sa face avant la et/ou sur sa face arrière 1 b, de toutes natures, par exemple diélectrique(s). [0027] Le procédé de transfert comprend également une étape h) de fourniture d'un substrat support 4 (figure 2 - h)). [0028] 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). [0029] Comme énoncé précédemment, une application intéressante du procédé de transfert selon l'invention est la fabrication de substrats SOI. 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. [0030] 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 la, et du substrat support 4, pour former une structure collée 5 (figure 2 - c)). [0031] L'assemblage peut être réalisé par toute méthode connue, notamment par collage direct par adhésion moléculaire, par thennocompression, par collage électrostatique, etc. 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. [0032] Dans le procédé de transfert selon l'invention, une étape d) de recuit de la structure collée 5 est alors effectuée, pour appliquer à ladite structure 5 un budget thermique de fragilisation et amener le plan fragile enterré jusqu'à un niveau de fragilisation défini (figure 2 - d)). Les couples temps / température appliqués au cours du recuit dé- 6 terminent le budget thermique subi par la structure collée 5. [0033] La gamme de températures dans laquelle le recuit peut être opéré pour cette fragi- lisation 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. [0034] 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 de palier 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. La température de palier maximale pourra plus généralement, pour des matériaux utilisés pour le substrat donneur 1 et/ou pour le substrat support 4 autres que le silicium, être comprise typiquement entre 200°C et 800°C. [0035] Le recuit peut comporter une rampe de montée en température (typiquement entre 200°C et la température de palier 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 de palier maximale du recuit. [0036] 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. [0037] Le niveau de fragilisation peut augmenter depuis un niveau faible (