Brevet FR3134229A1 — publié le 20231006

L’invention concerne un procédé de transfert d’une couche mince sur un substrat support, comprenant les étapes suivantes : - la fourniture d’une structure collée comportant un substrat donneur et le substrat support, assemblés par collage direct au niveau de leurs faces avant respectives, suivant une interface de collage s’étendant selon un plan principal, le substrat donneur comprenant un plan fragile enterré sensiblement parallèle au plan principal et formé par une étape d’implantation d’espèces légères incluant une co-implantation d’ions hydrogène avec une première dose et une première énergie d’implantation, et d’ions hélium avec une deuxième dose et une deuxième énergie d’implantation, - l’application d’un traitement thermique de fracture à la structure collée pour induire une séparation spontanée le long du plan fragile enterré, liée à une croissance de microfissures dans ledit plan par activation thermique, la séparation menant au transfert d’une couche mince issue du substrat donneur sur le substrat support. Le procédé est remarquable en ce que l’étape d’implantation d’espèces légères comprend en outre une implantation localisée d’ions hydrogène avec une troisième dose et une troisième énergie, pour former une zone locale surdosée dans le plan fragile enterré, la troisième dose correspondant à plus de trois fois la première dose, de manière à ce que la zone locale surdosée constitue un point d’amorce de la séparation. Figure N/A PROCEDE DE TRANSFERT D’UNE COUCHE MINCE SUR UN SUBSTRAT SUPPORT DOMAINE DE L’INVENTION La présente invention vise le domaine de la microélectronique et des semi-conducteurs. En particulier, l’invention concerne un procédé de transfert d’une couche mince sur un substrat support, basé sur la technologie Smart Cut TM , la couche mince présentant une rugosité améliorée après séparation. Le procédé de transfert peut notamment être mis en œuvre pour la fabrication d’une structure SOI. ARRIÈRE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION La technologie Smart Cut TM est bien connue pour la fabrication de structures SOI (silicium sur isolant) et plus généralement, pour le transfert de couches minces. Cette technologie est basée sur la formation d’un plan fragile enterré dans un substrat donneur, par implantation d’espèces légères dans ledit substrat ; le plan fragile enterré délimite, avec une face avant du substrat donneur, la couche mince à transférer. Un assemblage intervient ensuite entre le substrat donneur et un substrat support, au niveau de leurs faces avant respectives, pour former une structure collée. L’assemblage est avantageusement réalisé par collage direct, par adhésion moléculaire, c’est-à-dire sans implication de matière adhésive : une interface de collage est ainsi établie entre les deux substrats assemblés. La croissance de microfissures dans le plan fragile enterré, par activation thermique, peut conduire à une séparation spontanée, le long dudit plan, donnant lieu au transfert de la couche mince sur le substrat support (formant la structure empilée, par exemple de type SOI). Le reste du substrat donneur peut être réutilisé pour un transfert de couche ultérieur. Après séparation, il est habituel d’appliquer des traitements de finition à la structure empilée, pour restaurer la qualité cristalline et la rugosité de surface de la couche mince transférée. Ces traitements, connus, peuvent notamment impliquer des traitements thermiques d’oxydation ou de lissage (sous atmosphères neutre ou réductrice), des nettoyages et/ou gravures chimiques et/ou des étapes de polissage mécano-chimiques. Différents outils d’inspection de la structure finale permettent de contrôler l’intégralité de la surface de la couche mince. Lorsque la séparation dans le plan fragile enterré est spontanée, on observe des variabilités importantes en termes de rugosité de surface de la couche mince transférée, tant dans les hautes fréquences (microrugosité) que dans les basses fréquences (ondulations, zones locales de forte rugosité, marbrures, etc). Ces variabilités sont visibles et mesurables en particulier via les outils d’inspection précités, lors du contrôle de la couche mince dans la structure finale. Rappelons que la rugosité de surface de la couche mince après finition peut être imagée par une cartographie obtenue à l’aide d’un outil d’inspection Surfscan™ de la société KLA-Tencor ( ). Le niveau de rugosité ainsi que de potentiels motifs (marbrures, zones denses...) sont mesurés ou rendus apparents par la mesure de bruit de fond diffus (« haze » selon la terminologie anglo-saxonne communément employée) correspondant à l’intensité de la lumière diffusée par la surface de la couche mince. Le signal de « haze » varie linéairement avec le carré de la rugosité de surface RMS dans la gamme de fréquences spatiales de 0,1 à 10µm -1 . On pourra se référer à l’article « Seeing through the haze », de F. Holsteyns (Yield Management Solution, Spring 2004, pp50-54) pour une information plus complète sur cette technique d’inspection et d’évaluation de la rugosité sur une grande surface. Les cartographies de la montrent la rugosité de surface de deux couches minces transférées à partir de deux structures collées et traitées à l’identique jusqu’à la finition. Sur la cartographie (A), on observe une zone périphérique de rugosité résiduelle, dite « zone dense » (ZD) ; la cartographie (B) en est totalement dépourvue. Des marbrures (M) plus marquées sont également apparentes sur la cartographie (A). Les rugosités moyennes et maximales (exprimées en ppm de « haze ») sont en outre différentes entre les deux cartographies (A) et (B). La illustre les variabilités de qualité et rugosité finales des couches minces, qui trouvent principalement leur origine dans les variabilités de rugosité de surface (hautes et basses fréquences) après séparation. Pour améliorer la qualité finale des couches minces transférées, il demeure donc toujours important de réduire la rugosité (quelle que soit la fréquence spatiale) de surface de ces couches après transfert, dans le cas d’une séparation spontanée par activation thermique. OBJET DE L’INVENTION La présente invention propose un procédé de transfert mettant en œuvre un surdosage local en espèces légères dans le plan fragile enterré du substrat donneur, assurant un déclenchement anticipé de la fracture et l’obtention d’une rugosité améliorée sur toute la surface de la couche mince après séparation, pour atteindre une excellente qualité de surface après les étapes de finition de la structure empilée. Le procédé est en particulier avantageux pour la fabrication de structures SOI. BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION La présente invention concerne un procédé de transfert d’une couche mince sur un substrat support, comprenant les étapes suivantes : - la fourniture d’une structure collée comportant un substrat donneur et le substrat support, assemblés par collage direct au niveau de leurs faces avant respectives, suivant une interface de collage s’étendant selon un plan principal, le substrat donneur comprenant un plan fragile enterré sensiblement parallèle au plan principal et formé par une étape d’implantation d’espèces légères incluant une co-implantation d’ions hydrogène avec une première dose et une première énergie d’implantation, et d’ions hélium avec une deuxième dose et une deuxième énergie d’implantation, - l’application d’un traitement thermique de fracture à la structure collée pour induire une séparation spontanée le long du plan fragile enterré, liée à une croissance de microfissures dans ledit plan par activation thermique, la séparation menant au transfert d’une couche mince issue du substrat donneur sur le substrat support. Le procédé est remarquable en ce que l’étape d’implantation d’espèces légères comprend en outre une implantation localisée d’ions hydrogène avec une troisième dose et une troisième énergie, pour former une zone locale surdosée dans le plan fragile enterré, la troisième dose correspondant à plus de trois fois la première dose, de manière à ce que la zone locale surdosée constitue un point d’amorce de la séparation. Selon des caractéristiques avantageuses de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison réalisable : la troisième énergie est inférieure à la première énergie ; la zone locale surdosée est située dans une région centrale du substrat donneur, selon le plan principal ; la première dose est de 1E16/cm 2 +/- 40%, la deuxième dose est de 1E16/cm 2 +/- 40%, et la troisième dose est comprise entre trois fois (exclus) et sept fois la première dose, préférentiellement de l’ordre de quatre fois la première dose ; la zone locale surdosée présente une surface, dans le plan principal, comprise entre 10µm 2 et 2cm 2 ; le substrat donneur et/ou le substrat support présentent une couche isolante, au moins du côté de leur face avant respective, qui forme une couche isolante enterrée, adjacente à l’interface de collage, dans la structure collée ; la couche mince, issue du substrat donneur, est en silicium monocristallin et le substrat support comprend du silicium monocristallin, pour former une structure empilée de type SOI. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre en référence aux figures annexées parmi lesquelles : La présente deux cartographies représentatives de la rugosité de surface de deux couches minces transférées, issues de deux structures collées traitées à l’identique jusqu’à la finition, selon un procédé classique ; les deux cartographies ont été obtenues via un outil d’inspection Surfscan TM ; La présente un graphe indiquant la rugosité de surface des couches minces, en fonction du temps de fracture, pour une pluralité d’ensembles collés (différents des ensembles collés énoncés en référence à la ) et traités de manière identique jusqu’à la finition, selon un procédé classique ; La présente un ensemble collé intervenant à une étape intermédiaire du procédé de transfert conforme à l’invention ; La présente une structure empilée et le reste d’un substrat donneur, obtenus par un procédé de transfert conforme à l’invention ; La présente différents essais d’implantation localisée d’ions hydrogène et les résultats associés ; La présente une photo d’une structure empilée obtenue par un procédé de transfert conforme à l’invention. Certaines 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. Les mêmes références sur les figures ou dans la description pourront être utilisées pour des éléments de même nature. Procédé de transfert d’une couche mince (10) sur un substrat support (2), comprenant les étapes suivantes : - la fourniture d’une structure collée (100) comportant un substrat donneur (1) et le substrat support (2), assemblés par collage direct au niveau de leurs faces avant (1a,2a) respectives, suivant une interface de collage (3) s’étendant selon un plan principal (x,y), le substrat donneur (1) comprenant un plan fragile enterré (11) sensiblement parallèle au plan principal et formé par une étape d’implantation d’espèces légères incluant une co-implantation d’ions hydrogène avec une première dose et une première énergie d’implantation, et d’ions hélium avec une deuxième dose et une deuxième énergie d’implantation, - l’application d’un traitement thermique de fracture à la structure collée (100) pour induire une séparation spontanée le long du plan fragile enterré (11), liée à une croissance de microfissures dans ledit plan (11) par activation thermique, la séparation menant au transfert d’une couche mince (10) issue du substrat donneur (1) sur le substrat support (2), le procédé étant caractérisé en ce que l’étape d’implantation d’espèces légères comprend en outre une implantation localisée d’ions hydrogène avec une troisième dose et une troisième énergie, pour former une zone locale surdosée (11b) dans le plan fragile enterré (11), la troisième dose correspondant à plus de trois fois la première dose, de manière à ce que la zone locale surdosée constitue un point d’amorce de la séparation. Procédé de transfert selon la revendication précédente, dans lequel la troisième énergie est inférieure à la première énergie. Procédé de transfert selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la zone locale surdosée (11b) est située dans une région centrale du substrat donneur (1), selon le plan principal (x,y). Procédé de transfert selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la première dose est de 1E16/cm 2 +/- 40%, la deuxième dose est de 1E16/cm 2 +/- 40%, et la troisième dose est comprise entre trois fois (exclu) et sept fois la première dose, préférentiellement de l’ordre de quatre fois la première dose. Procédé de transfert selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la zone locale surdosée présente une surface, dans le plan principal (x,y), comprise entre 10µm 2 et 2cm 2 . Procédé de transfert selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le substrat donneur (1) et/ou le substrat support (2) présentent une couche isolante (12), au moins du côté de leur face avant respective (1a,2a), qui forme une couche isolante enterrée, adjacente à l’interface de collage (3), dans la structure collée (100). Procédé de transfert selon la revendication précédente, dans lequel la couche mince (10), issue du substrat donneur (1), est en silicium monocristallin et le substrat support (2) comprend du silicium monocristallin, pour former une structure empilée (110) de type SOI.