Brevet FR3132384A1 — publié le 20230804

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, le substrat donneur comprenant un plan fragile enterré, - 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 le traitement thermique de fracture présente : - une rampe de montée en température supérieure à 1°C/s, au moins entre une température initiale, inférieure à 250°C, et une température de palier, supérieure ou égale à 500°C, et - un profil en température tel que la structure collée subisse un gradient de température variant entre 40°C et 120°C entre une région centrale et une région périphérique. 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 neutres ou réductrices), 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 traitement thermique de fracture particulier, permettant l’obtention d’une rugosité de surface améliorée 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, le substrat donneur comprenant un plan fragile enterré, - 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 le traitement thermique de fracture présente : - une rampe de montée en température supérieure à 1°C/s, au moins entre une température initiale, inférieure à 250°C, et une température de palier, supérieure ou égale à 500°C, et - un profil en température tel que la structure collée subisse un gradient de température variant entre 40°C et 120°C entre une région centrale et une région périphérique. Selon des caractéristiques avantageuses de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison réalisable : le procédé de transfert comprend avant le traitement thermique de fracture, un pré-recuit appliqué à la structure collée, de manière à réaliser un pré-murissement des microfissures dans le plan fragile enterré, le budget thermique apporté par le pré-recuit étant insuffisant pour provoquer une séparation spontanée ; le gradient de température est compris entre 40°C et 80°C ; le procédé de transfert comprend une étape de lissage d’une face avant de la couche mince, à la suite de la séparation, par application d’un recuit à une température supérieure à 1000°C, dans une atmosphère neutre ou réductrice, le traitement thermique de fracture et l’étape de lissage s’opérant dans une même enceinte et un même équipement ; le plan fragile enterré est formé dans le substrat donneur par implantation d’espèces légères telles que l’hydrogène, l’hélium ou une combinaison de ces deux espèces ; 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 sur 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 de structures collées (d’un type différent des structures collées énoncées en référence à la ) traitées de manière identique jusqu’à la finition, selon un procédé classique ; La présente une structure collée 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 un exemple de profil de température au cours d’un traitement thermique de fracture mis en œuvre dans un procédé de transfert conforme à l’invention ; La présente deux cartographies représentatives de la rugosité de surface de deux couches minces transférées d’une première (à gauche) et d’une deuxième (à droite) structures SOI, la première ayant été obtenue avec un procédé de transfert classique et la deuxième avec un procédé de transfert conforme à l’invention ; les deux cartographies ont été obtenues via un outil d’inspection Surfscan TM . 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), le substrat donneur (1) comprenant un plan fragile enterré (11), - 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 le traitement thermique de fracture présente : - une rampe de montée en température supérieure à 1°C/s, au moins entre une température initiale, inférieure à 250°C, et une température de palier, supérieure ou égale à 500°C, et - un profil en température tel que la structure collée (100) subisse un gradient de température variant entre 40°C et 120°C entre une région centrale et une région périphérique. Procédé de transfert selon la revendication précédente, comprenant, avant le traitement thermique de fracture, un pré-recuit appliqué à la structure collée (100), de manière à réaliser un pré-murissement des microfissures dans le plan fragile enterré (11), le budget thermique apporté par le pré-recuit étant insuffisant pour provoquer une séparation spontanée. Procédé de transfert selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le gradient de température est compris entre 40°C et 80°C. Procédé de transfert selon l’une des revendications précédentes, comprenant une étape de lissage d’une face avant (10a) de la couche mince (10), à la suite de la séparation, par application d’un recuit à une température supérieure à 1000°C, dans une atmosphère neutre ou réductrice, le traitement thermique de fracture et l’étape de lissage s’opérant dans une même enceinte et un même équipement. Procédé de transfert selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le plan fragile enterré (11) est formé dans le substrat donneur (1) par implantation d’espèces légères telles que l’hydrogène, l’hélium ou une combinaison de ces deux espèces. 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, 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 l’une des revendications précédentes, 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.