Brevet FR3103055A1 — publié le 20210514

L’invention concerne un procédé de finition d’une couche semi-conductrice monocristalline (10) transférée sur un substrat receveur (2) à partir d’un substrat donneur (1), comprenant les étapes successives suivantes : - oxydation de ladite couche semi-conductrice monocristalline (10) pour former une portion superficielle oxydée (101) de ladite couche semi-conductrice monocristalline (10), - retrait sélectif de ladite portion superficielle oxydée (101) vis-à-vis de la couche semi-conductrice monocristalline (10), - traitement thermique de lissage d’une surface libre (100b) de la couche semi-conductrice monocristalline (10), - amincissement de la couche semi-conductrice monocristalline (10) lissée, ledit procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend, entre l’étape de retrait sélectif de la portion superficielle oxydée (101) et le traitement thermique de lissage, un amincissement préliminaire de la couche semi-conductrice monocristalline (10) de sorte à retirer de ladite couche (10) une portion (102) d’épaisseur supérieure ou égale à 10 nm, de préférence supérieure ou égale à 15 nm, et de manière encore préférée supérieure ou égale à 20 nm. Figure pour l’abrégé : Fig 4E Procédé de finition d’une couche semi-conductrice monocristalline transférée sur un substrat receveur Domaine de l’invention L’invention concerne un procédé de finition d’une couche semi-conductrice monocristalline transférée sur un substrat receveur à partir d’un substrat donneur, ainsi qu’un procédé de transfert d’une telle couche monocristalline. Etat de la technique Le procédé Smart Cut™ est bien connu pour transférer une couche semi-conductrice monocristalline d’un substrat donneur vers un substrat receveur. Ce procédé permet en particulier de former des structures de type semi-conducteur sur isolant, et notamment de type silicium sur isolant (SOI), qui sont largement utilisées dans le domaine de la microélectronique. Ce procédé comprend typiquement : - la formation, par implantation d’espèces atomiques, d’une zone de fragilisation dans un substrat donneur, de sorte à délimiter, dans ledit substrat donneur, une couche semi-conductrice monocristalline superficielle, - l’assemblage du substrat donneur et d’un substrat receveur, une couche électriquement isolante étant présente à l’interface d’assemblage, - le détachement du substrat donneur le long de la zone de fragilisation, de sorte à transférer la couche semi-conductrice sur le substrat receveur. A l’issue de ce transfert, la couche semi-conductrice présente, dans une région superficielle, des défauts cristallins liés à l’implantation des espèces atomiques. Par ailleurs, comme on le voit sur la figure 1A, la surface 100a de ladite couche semi-conductrice monocristalline 10 est rugueuse. Pour supprimer ces défauts, il est connu de mettre en œuvre une oxydation sacrificielle de ladite couche semi-conductrice monocristalline suivie d’un traitement thermique. Comme illustré sur la figure 1B, l’oxydation sacrificielle a pour effet de convertir une portion superficielle de la couche transférée en une portion 101 d’oxyde du matériau semi-conducteur. Cette portion d’oxyde peut être retirée au moyen d’une gravure sélective vis-à-vis du matériau semi-conducteur. Cependant, cette séquence d’oxydation et gravure conserve la rugosité de la surface 100b de la couche transférée. La portion restante de la couche semi-conductrice monocristalline 10 est ensuite soumise à un traitement thermique de lissage, qui est mis en œuvre à une température élevée, typiquement supérieure à 1150 °C pour du silicium. La figure 1C illustre la structure résultant de ce traitement thermique de lissage, présentant une surface lissée 100c. Enfin, comme illustré sur la figure 1D, un amincissement final est mis en œuvre, par exemple par gravure chimique, pour réduire l’épaisseur de la couche semi-conductrice monocristalline 10 jusqu’à l’épaisseur souhaitée. Cependant, on observe des dépressions D (appelées « shallow holes » en anglais) à la surface 100c de la couche semi-conductrice monocristalline à l’issue du traitement thermique de lissage, qui subsistent à la surface 100d après l’amincissement final. Ces dépressions se traduisent par des points sur l’image d’inspection de la surface 100d de la couche semi-conductrice monocristalline présentée à la figure 2. La figure 3 est une image au microscope électronique à balayage d’une telle dépression D, les unités des axes correspondant aux pixels de l’image. Ces dépressions sont problématiques car elles nuisent à l’uniformité de l’épaisseur de la couche semi-conductrice monocristalline, requise pour garantir les performances des dispositifs électroniques formés ultérieurement dans ou sur ladite couche. En effet, ces dépressions sont profondes par rapport à l’épaisseur de la couche semi-conductrice monocristalline. Ainsi, pour une couche de 12 nm d’épaisseur, ces dépressions ont généralement une profondeur de l’ordre de 2 à 4 nm. Ces dépressions étant par ailleurs relativement étendues dans le plan de la surface (avec typiquement une largeur de l’ordre de 50 nm), elles conduisent à des réductions localisées significatives de la couche semi-conductrice monocristalline. Des tentatives de modification du traitement de finition en vue de réduire l’occurrence de ces dépressions ont déjà été conduites mais ne se sont pas révélées satisfaisantes. Par exemple, la réduction de la température de l’oxydation sacrificielle permet de réduire le nombre de défauts, mais allonge considérablement la durée de cette étape et augmente son coût, ce qui n’est pas acceptable industriellement. Par ailleurs, un polissage mécano-chimique (CMP, acronyme du terme anglo-saxon « Chemical Mechanical Polishing ») est en mesure de supprimer ces dépressions, mais ce procédé est coûteux et dégrade l’uniformité de l’épaisseur de la couche semi-conductrice monocristalline. Enfin, une diminution de la dose d’implantation des espèces atomiques permet également de réduire la densité des dépressions, mais rend plus difficile le détachement le long de la zone de fragilisation ainsi formée. Brève description de l’invention Un but de l’invention est donc de définir un procédé de finition d’une couche semi-conductrice monocristalline transférée sur un substrat receveur qui réduise le nombre de dépressions à la surface de ladite couche sans pénaliser le procédé industriel de transfert et de finition de ladite couche ni dégrader l’uniformité de l’épaisseur de ladite couche. A cet effet, l’invention propose un procédé de finition d’une couche semi-conductrice monocristalline transférée sur un substrat receveur à partir d’un substrat donneur, comprenant les étapes successives suivantes : - oxydation de ladite couche semi-conductrice monocristalline pour former une portion superficielle oxydée de ladite couche semi-conductrice monocristalline, - retrait sélectif de ladite portion superficielle oxydée vis-à-vis de la couche semi-conductrice monocristalline, - traitement thermique de lissage d’une surface libre de la couche semi-conductrice monocristalline, - amincissement de la couche semi-conductrice monocristalline lissée, ledit procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend, entre l’étape de retrait sélectif de la portion superficielle oxydée et le traitement thermique de lissage, un amincissement préliminaire de la couche semi-conductrice monocristalline de sorte à retirer de ladite couche une portion d’épaisseur supérieure ou égale à 10 nm, de préférence supérieure ou égale à 15 nm, et de manière encore préférée supérieure ou égale à 20 nm. Ladite portion retirée est une portion comprenant des défauts cristallins provoqués par l’étape d’oxydation, lesdits défauts étant susceptibles de générer des dépressions ou « shallow holes » à la surface de la couche transférée après le traitement thermique de lissage. L’amincissement préliminaire est mis en œuvre sur une épaisseur suffisante pour retirer lesdits défauts cristallins afin d’éviter qu’ils n’engendrent ultérieurement des dépressions. Dans certains modes de réalisation, ledit amincissement préliminaire est réalisé par gravure chimique. Dans certains modes de réalisation, ledit amincissement préliminaire est mis en œuvre à une température comprise entre 25 et 800°C. Dans certaines formes d’exécution, ledit amincissement préliminaire est réalisé au moyen d’un plasma. De manière avantageuse, l’oxydation est mise en œuvre à une température supérieure ou égale à 850°C, de préférence supérieure ou égale à 900°C. L’invention concerne également un procédé de transfert d’une couche semi-conductrice monocristalline d’un substrat donneur sur un substrat receveur, comprenant : - la formation d’une zone de fragilisation dans le substrat donneur par implantation d’espèces atomiques de sorte à délimiter une couche semi-conductrice monocristalline à transférer, - l’assemblage du substrat donneur et du substrat receveur, - le détachement du substrat donneur le long de la zone de fragilisation, de sorte à transférer la couche semi-conductrice sur le substrat receveur ; - la mise en œuvre du procédé de finition de ladite couche semi-conductrice monocristalline transférée tel que décrit ci-dessus. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels : est une vue schématique en coupe d’une structure de type semi-conducteur sur isolant résultant du transfert d’une couche semi-conductrice monocristalline sur un substrat receveur ; est une vue en coupe schématique de la structure de la figure 1A après mise en œuvre d’une oxydation sacrificielle de la couche transférée ; est une vue en coupe schématique de la structure de la figure 1B après retrait de la couche d’oxyde sacrificielle et mise en œuvre d’un traitement thermique de lissage ; est une vue en coupe schématique de la structure de la figure 1C après amincissement de la couche transférée ; est une image de la répartition des défauts observés à la surface de la couche semi-conductrice monocristalline de la figure 1D lors d’une inspection ; est une image au microscope électronique à balayage d’une dépression à la surface d’une couche semi-conductrice monocristalline à l’issue du traitement de lissage et d’amincissement ; est une vue schématique en coupe d’un substrat donneur subissant une implantation d’espèces atomiques en vue du transfert d’une couche semi-conductrice monocristalline par le procédé Smart Cut ™ ; est une vue schématique en coupe de l’assemblage du substrat donneur de la figure 4A et d’un substrat receveur ; est une vue schématique en coupe de la structure de la figure 4B après transfert de la couche semi-conductrice monocristalline sur le substrat receveur ; est une vue en coupe schématique de la structure de la figure 4C après mise en œuvre d’une oxydation sacrificielle de la couche transférée ; est une vue en coupe schématique de la structure de la figure 4C après mise en œuvre d’un amincissement préliminaire de la couche transférée selon l’invention ; est une vue en coupe schématique de la structure de la figure 4E après mise en œuvre d’un traitement thermique de lissage ; est une vue en coupe schématique de la structure de la figure 4F après amincissement de la couche transférée ; est une image de la répartition des défauts observés à la surface de la couche semi-conductrice monocristalline de la figure 4G lors d’une inspection, dans le cas où une portion superficielle de 15 nm d’épaisseur a été retirée de la couche transférée lors de l’amincissement préliminaire ; est une image de la répartition des défauts observés à la surface de la couche semi-conductrice monocristalline de la figure 4G lors d’une inspection, dans le cas où une portion superficielle de 23 nm d’épaisseur a été retirée de la couche transférée lors de l’amincissement préliminaire. Pour des raisons de lisibilité des figures, les épaisseurs des différentes couches schématisées ne sont pas nécessairement représentées à l’échelle, et l’amplitude des défauts et rugosités a été exagérée. Description détaillée de modes de réalisation Les figures 4A à 4G illustrent les principales étapes d’un procédé de transfert d’une couche semi-conductrice monocristalline d’un substrat donneur sur un substrat receveur, dans lequel le procédé de finition selon l’invention peut avantageusement être mis en œuvre. En référence à la figure 4A, on fournit un substrat donneur 1. Ledit substrat donneur peut être un substrat semi-conducteur monocristallin massif, par exemple un substrat de silicium monocristallin, ou bien être constitué d’un empilement de couches de différents matériaux, au moins une couche superficielle dudit empilement étant en un matériau semi-conducteur monocristallin. Dans la suite du texte, dans un souci de concision, on considérera que le matériau semi-conducteur est du silicium, mais il va de soi que l’invention s’applique à d’autres matériaux semi-conducteurs. De manière optionnelle mais avantageuse, le substrat donneur 1 est recouvert d’une couche électriquement isolante 11, qui peut être typiquement une couche d’oxyde de silicium (SiO 2 ). Ladite couche d’oxyde est destinée à former la couche électriquement isolante enterrée (également désignée par l’acronyme BOX, du terme anglo-saxon « Buried OXide ») d’un substrat de type semi-conducteur sur isolant. Comme schématisé par les flèches, on implante des espèces atomiques, telles que de l’hydrogène et/ou de l’hélium, au travers de la couche électriquement isolante11. L’énergie d’implantation est choisie de sorte à former une zone de fragilisation 12 à une profondeur déterminée au sein du substrat donneur 1 pour délimiter la couche semi-conductrice monocristalline 10 à transférer. Dans la mesure où, comme expliqué plus bas, la couche transférée subira ensuite des traitements conduisant à son amincissement, l’épaisseur de la couche à transférer est supérieure à celle de la couche transférée à l’issue des traitements de finition. En référence à la figure 4B, on fournit un substrat receveur 2 destiné à servir de support à la couche semi-conductrice monocristalline transférée. La composition du substrat receveur dépend de la fonction dudit substrat receveur dans la structure finale et peut être choisie en fonction des propriétés mécaniques, électriques ou autres, requises pour remplir cette fonction. Ledit substrat receveur 2 est assemblé sur le substrat donneur 1 par l’intermédiaire de la couche électriquement isolante 11. Cet assemblage comprend avantageusement un collage par adhésion moléculaire. De manière alternative, le substrat receveur pourrait être déposé sur le substrat donneur. En référence à la figure 4C, on détache le substrat donneur 1 le long de la zone de fragilisation 11. De manière connue en elle-même, le détachement peut être initié par application d’une contrainte mécanique, thermique, chimique ou autre. A l’issue de ce détachement, la couche semi-conductrice monocristalline 10 a été transférée sur le substrat receveur 2. Le procédé qui vient d’être décrit est connu sous le nom de procédé Smart Cut™. Comme schématisé de manière exagérée, la surface libre 100a de la couche 10 présente une forte rugosité, par exemple de l’ordre de 7 nm RMS. En référence à la figure 4D, on met tout d’abord en œuvre une oxydation sacrificielle de la couche transférée 10.Cette étape comprend une oxydation thermique qui a pour effet de consommer une portion superficielle du silicium de la couche 10 pour former une couche 101 d’oxyde de silicium. L’oxydation est suivie d’une gravure sélective de l’oxyde vis-à-vis du silicium de la couche 10, qui conduit à l’élimination de la couche d’oxyde 100. La surface 100b de la couche 10 restante présente sensiblement la même rugosité que la surface 100a. En général, l’oxydation thermique est effectuée en plaçant la structure à traiter dans un four et en mettant en œuvre dans le four une atmosphère présentant une composition et une température choisies pour provoquer l’oxydation du silicium. Cette atmosphère peut comprendre de la vapeur d’eau ou du dioxygène. La structure ainsi oxydée est ensuite extraite du four et placée dans un bain d’acide, par exemple d’acide fluorhydrique (HF), adapté pour graver sélectivement l’oxyde par rapport au silicium. Cette étape d’oxydation sacrificielle est connue en elle-même et peut être mise en œuvre dans les mêmes conditions que dans le procédé connu, c’est-à-dire généralement de l’ordre de 850°C pour du silicium. Cependant, comme cela sera expliqué en détail plus bas, ladite oxydation peut avantageusement être mise en œuvre à une température supérieure à la température habituelle, par exemple supérieure ou égale à 900°C pour du silicium. Cette augmentation de la température permet de réduire la durée de l’oxydation. Une analyse de la structure de la couche transférée après l’oxydation sacrificielle a permis aux inventeurs d’identifier des défauts cristallins situés quelques nanomètres sous la surface 100b. Ces défauts cristallins sont schématisés par des croix sur les figures 1B-1D et 4D-4E. Ces défauts cristallins sont générés par l’oxydation thermique et sont responsables, après le traitement thermique de lissage, des dépressions D ou « shallow holes » représentés sur les figures 1C et 1D. Selon l’invention, la formation desdites dépressions peut être évitée ou tout au moins minimisée en retirant les défauts cristallins générés par l’oxydation thermique avant la mise en œuvre du traitement thermique de lissage. Ainsi, en référence à la figure 4E, on met en œuvre un amincissement préliminaire de la couche 10, de sorte à retirer de ladite couche la portion superficielle 102 qui comprend lesdits défauts. L’épaisseur de la portion 102 est donc choisie suffisamment grande pour retirer l’ensemble ou la majeure partie des défauts, tout en étant minimisée pour ne pas allonger excessivement la durée du procédé de finition. En pratique, la portion 102 présente une épaisseur supérieure ou égale à 10 nm, de préférence supérieure ou égale à 15 nm, et de manière encore préférée supérieure ou égale à 20 nm. Selon un mode de réalisation, ledit amincissement préliminaire est mis en œuvre par voie chimique, c’est-à-dire en exposant la surface libre de la couche 10 à une solution de gravure, par exemple SC1 (acronyme du terme anglo-saxon « Standard Cleaning 1 ») chaud, TMAH (hydroxyde de tétraméthylammonium), KOH (hydroxyde de potassium) pour le silicium. Cette exposition est réalisée pendant une durée contrôlée pour retirer l’épaisseur souhaitée de la portion 102. Cet amincissement préliminaire peut être mis en œuvre à température ambiante (25°C) ou à une température plus élevée, jusqu’à 800°C. Par exemple, une gravure d’une épaisseur de 10 nm peut être réalisée en 20 minutes avec une vitesse de gravure de 0,5 nm/min. La surface 100d, qui présente sensiblement la même rugosité que la surface 100a, est ensuite rincée est séchée. De manière alternative, ledit amincissement préliminaire peut être mis en œuvre par plasma (traitement appelé « trimming » en anglais). En revanche, une nouvelle oxydation sacrificielle réalisée à une température suffisamment basse pour ne pas générer de nouveaux défauts n’est pas jugée industriellement viable car trop lente. En référence à la figure 4F, on met ensuite en œuvre un traitement thermique de lissage tel que connu de l’état de la technique. Ce traitement thermique est mis en œuvre dans un four à une température élevée, typiquement supérieure à 1150 °C pour du silicium. La structure résultant de ce traitement thermique présente donc une surface lissée 100c qui, contrairement à la structure de la figure 1C, ne présente aucune dépression. Enfin, en référence à la figure 4G, on met en œuvre un amincissement final visant à retirer une portion superficielle 103 de la couche transférée, jusqu’à atteindre l’épaisseur souhaitée pour la couche 10. De manière connue en elle-même, ledit amincissement final peut être réalisé par voie chimique. On notera que, dans le procédé connu, on procède à un nettoyage de la surface de la couche transférée après l’oxydation thermique et avant de procéder au traitement thermique de lissage. Ce nettoyage est destiné en particulier à retirer les contaminants éventuellement présents à la surface de la couche transférée. Cependant, même si ce nettoyage se traduit par une légère gravure de la couche transférée, l’épaisseur retirée est de l’ordre du nanomètre, c’est-à-dire plus de dix fois plus faible que l’épaisseur retirée lors de l’amincissement préliminaire selon l’invention. L’épaisseur de silicium retirée par ce nettoyage est nettement insuffisante pour retirer les défauts générés par l’oxydation thermique. Les figures 5A et 5B mettent en évidence l’effet du procédé de finition selon l’invention sur la réduction des dépressions ou « shallow holes », par comparaison avec la figure 2. Ces figures sont des images de la répartition des défauts observés à la surface de la couche semi-conductrice monocristalline de la figure 4G lors d’une inspection, dans le cas où une portion superficielle de 15 nm, respectivement 23 nm, d’épaisseur a été retirée de la couche transférée lors de l’amincissement préliminaire. On observe que plus l’épaisseur retirée est importante, plus le nombre de dépressions diminue. Il est donc possible de trouver un compromis entre la défectivité liée à ces dépressions et la durée du traitement de finition (laquelle est liée à l’épaisseur retirée lors de l’amincissement préliminaire). Par ailleurs, bien que l’amincissement préliminaire représente une étape supplémentaire du traitement de finition, il peut permettre plus de flexibilité lors de la mise en œuvre de l’oxydation sacrificielle. En effet, dès lors que les défauts générés par l’oxydation thermique peuvent être retirés par l’amincissement préliminaire, il est envisageable d’augmenter la température de ladite oxydation thermique afin d’en réduire la durée, sans effet négatif sur la qualité de la surface finale de la couche transférée. Ainsi, le procédé de finition selon l’invention s’intègre aisément dans un procédé industriel conventionnel. Procédé de finition d’une couche semi-conductrice monocristalline (10) transférée sur un substrat receveur (2) à partir d’un substrat donneur (1), comprenant les étapes successives suivantes : - oxydation de ladite couche semi-conductrice monocristalline (10) pour former une portion superficielle oxydée (101) de ladite couche semi-conductrice monocristalline (10), - retrait sélectif de ladite portion superficielle oxydée (101) vis-à-vis de la couche semi-conductrice monocristalline (10), - traitement thermique de lissage d’une surface libre (100b) de la couche semi-conductrice monocristalline (10), - amincissement de la couche semi-conductrice monocristalline (10) lissée, ledit procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend, entre l’étape de retrait sélectif de la portion superficielle oxydée (101) et le traitement thermique de lissage, un amincissement préliminaire de la couche semi-conductrice monocristalline (10) de sorte à retirer de ladite couche (10) une portion (102) d’épaisseur supérieure ou égale à 10 nm, de préférence supérieure ou égale à 15 nm, et de manière encore préférée supérieure ou égale à 20 nm. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit amincissement préliminaire est réalisé par gravure chimique. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel ledit amincissement préliminaire est mis en œuvre à une température comprise entre 25 et 800°C. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit amincissement préliminaire est réalisé au moyen d’un plasma. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’oxydation de la couche semi-conductrice monocristalline (10) crée des défauts cristallins dans ladite couche, lesdits défauts étant susceptibles de former des dépressions (D) à la surface (100d) de la couche semi-conductrice monocristalline lissée, et l’amincissement préliminaire est mis en œuvre sur une épaisseur suffisante pour retirer lesdits défauts cristallins. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’oxydation est mise en œuvre à une température supérieure ou égale à 850°C, de préférence supérieure ou égale à 900°C. Procédé de transfert d’une couche semi-conductrice monocristalline (10) d’un substrat donneur (1) sur un substrat receveur (2), comprenant : - la formation d’une zone de fragilisation (12) dans le substrat donneur (1) par implantation d’espèces atomiques de sorte à délimiter une couche semi-conductrice monocristalline (10) à transférer, - l’assemblage du substrat donneur (1) et du substrat receveur (2), - le détachement du substrat donneur (1) le long de la zone de fragilisation (12), de sorte à transférer la couche semi-conductrice (10) sur le substrat receveur (2) ; - la mise en œuvre du procédé de finition de ladite couche semi-conductrice monocristalline transférée selon l’une des revendications 1 à 6.