Brevet FR3156586A1 — publié le 20250613

Procédé de fabrication d’une structure SSOI La présente description concerne un procédé de fabrication d’une structure SSOI comprenant les étapes suivantes : - Fournir un substrat receveur (10) comprenant un premier substrat support (11), - Fournir un substrat donneur (20) comprenant un deuxième substrat support (21) recouvert successivement par une couche tampon, de préférence en SiGe (22), une couche de silicium contrainte (23), une couche d’oxyde (24) et une couche de silicium amorphe (25), - Mettre en contact le substrat receveur (10) et le substrat donneur (20) pour former une interface de collage, - Réaliser un traitement thermique à une température comprise entre 500 et 800°C pour consolider l’interface de collage, - Retirer le deuxième substrat support (21) et la couche tampon (22), moyennant quoi on obtient une structure SSOI. Figure pour l'abrégé : Fig. 1A Procédé de fabrication d’une structure SSOI La présente description concerne de façon générale la fabrication de structures microélectroniques, et en particulier la fabrication de structures de type SSOI (« Strained Silicon On Insulator ». Les substrats SSOI comprennent un substrat en matériau semiconducteur recouvert successivement par une couche d’oxyde (dit oxyde enterré) puis par une couche de silicium contrainte. Une telle contrainte peut procurer à un matériau semiconducteur des propriétés électriques intéressantes. Par exemple, les couches de silicium contraint en tension présentent une mobilité de porteurs de charges (tels que des trous et des électrons) plus importante que celle habituellement trouvée dans des couches de silicium relaxé. Ces substrats sont d’un grand intérêt pour de nombreuses applications en microélectronique ou en optique. En particulier, ces empilements sont particulièrement prometteurs pour les dispositifs FD-SOI (« Fully Depleted SOI »). Jusqu’à présent, ces substrats sont classiquement obtenus en réalisant la croissance d’un film mince de silicium sur un substrat dit virtuel de SiGe, puis en collant l’ensemble obtenu sur un substrat dit receveur, notamment en silicium. Le film mince de silicium et la plaque en silicium peuvent être indépendamment l’un de l’autre recouverts par une couche d’oxyde. Ainsi, il est possible d’avoir l’une des trois interfaces de collage suivantes : une interface entre deux couches d’oxyde, une interface entre une couche de silicium contraint et une couche d’oxyde ou encore une interface entre un oxyde recouvrant le silicium contraint et du silicium. Quelle que soit l’interface, un recuit de consolidation du collage est nécessaire. Les recuits, pour les différents cas précités, sont de l’ordre de 1000 °C voire plus (par exemple 1110°C), ce qui engendre plusieurs problèmes. Tout d’abord, avec de telles températures, l’oxyde enterré a tendance à croître de manière indésirable. Or, un oxyde enterré mince (de l’ordre de 10nm) est recherché. Il n’est pas possible de compenser cette croissance en formant initialement un oxyde aussi mince possible, sans créer des difficultés de collage. Ensuite, lorsqu’un tel recuit est appliqué à un film de qualité cristalline imparfaite la croissance et la multiplication des défauts est favorisée. De plus, la montée en température doit être lente pour ne pas déformer les substrats, ce qui rallonge la durée du procédé et nécessite des équipements complexes. Il existe un besoin de fabriquer une structure SSOI avec un procédé mettant en œuvre un faible budget thermique, tout en ayant une bonne interface de collage. Ce but est atteint par un procédé de fabrication d’une structure SSOI comprenant les étapes suivantes : - Fournir un substrat receveur comprenant un premier substrat support, - Fournir un substrat donneur comprenant un deuxième substrat support recouvert successivement par une couche tampon, de préférence en SiGe, une couche de silicium contrainte, une couche d’oxyde et une couche de silicium amorphe, - Mettre en contact le substrat receveur et le substrat donneur pour former une interface de collage, - Réaliser un traitement thermique à une température comprise entre 500 et 800°C pour consolider l’interface de collage, - Retirer le deuxième substrat support et la couche tampon, moyennant quoi on obtient une structure SSOI. L’invention se distingue fondamentalement de l’art antérieur par la présence d’une couche de silicium amorphe, positionnée sous la couche d’oxyde enterrée, au niveau de l’interface de collage. Une autre couche de silicium amorphe peut être positionnée sur le substrat receveur. L’interface de collage est donc une interface entre un substrat en silicium et une couche de silicium amorphe ou une interface entre deux couches de silicium amorphe. De telles interfaces autorisent la mise en œuvre d’un recuit de consolidation du collage à des températures modérées (inférieures ou égales à 800°C). La mise en œuvre de telles températures limite la croissance indésirable de la couche d’oxyde et évite la formation de défauts et/ou de dislocations dans le substrat SSOI final. Même si les températures du recuit sont inférieures aux températures classiquement mises en œuvre (typiquement de 1000°C), elles permettent de bien fermer l’interface de collage. Avantageusement, la couche de silicium amorphe a une épaisseur comprise entre 5 nm et 10 nm. Avantageusement, le substrat receveur comprend le premier substrat support et une couche additionnelle en silicium amorphe. Avantageusement, la couche additionnelle en silicium amorphe a une épaisseur comprise entre 5 nm et 10 nm. Selon une première variante de réalisation avantageuse, le collage est un collage hydrophile. Selon une autre variante de réalisation avantageuse, le collage est un collage hydrophobe. Avantageusement, le premier substrat support est un substrat en un matériau semiconducteur, de préférence en silicium. Avantageusement, le deuxième substrat support est un substrat en un matériau semiconducteur, de préférence en silicium. L’invention concerne également une structure SSOI obtenue par un tel procédé. La structure SSOI comprend successivement un premier substrat support, une couche de silicium amorphe, une couche d’oxyde, une couche de silicium contrainte. La couche d’oxyde présente une faible épaisseur, typiquement inférieure à 15 nm, de préférence de 10 nm environ. Cette fine couche d’oxyde enterrée présente peu ou pas de défauts. Avantageusement, la couche de silicium amorphe a une épaisseur comprise entre 5 et 10 nm. Avantageusement, une couche additionnelle de silicium amorphe est disposée entre le premier substrat support et la couche de silicium amorphe. Une telle structure ne présente pas de défauts au niveau de l’interface de collage (notamment il n’y a pas de décollement). L’interface est homogène. La structure peut ainsi servir à la fabrication ultérieure de composants microélectroniques. Une telle structure est particulièrement intéressante pour des applications en microélectronique, optoélectronique ou optique. Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la FIG. 1 , la FIG. 1 et la FIG. 1 représentent de manière schématique différentes étapes d’un procédé de fabrication d’un substrat SSOI selon un mode de réalisation particulier de l’invention ; la FIG. 2 , la FIG. 2 et la FIG. 2 représentent de manière schématique différentes étapes d’un procédé de fabrication d’un substrat SSOI selon un autre mode de réalisation particulier de l’invention. Pour des raisons de clarté des figures, les différents éléments ne sont pas représentés selon une échelle homogène. De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques. Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position relative, tels que les termes "sur", "sous", etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures. Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. Nous allons maintenant décrire plus en détail le procédé de fabrication d’une structure SSOI en faisant référence aux figures 1A à 1C ainsi qu’aux figures 2A à 2C. Le procédé de fabrication d’un substrat SSOI comprend les étapes suivantes : a) Fournir, d’une part, un substrat receveur 10 comprenant un premier substrat support 11, et d’autre part, un substrat donneur 20 comprenant un deuxième substrat support 21 recouvert successivement par une couche tampon 22, de préférence en SiGe, une couche de silicium contrainte 23, une couche d’oxyde 24 et une couche de silicium amorphe 25 (figures 1A et 2A), b) Mettre en contact le substrat receveur 10 et le substrat donneur 20 pour former une interface de collage (figures 1B et 2B), c) Réaliser un traitement thermique pour consolider l’interface de collage, le traitement thermique étant réalisé à une température comprise entre 500 et 800°C, d) Retirer le deuxième substrat support 21 et la couche tampon 22, moyennant quoi on obtient une structure SSOI (figures 1C et 2C). Selon un mode de réalisation particulier, le substrat receveur 10 est constitué du premier substrat support 11. Selon un autre mode de réalisation particulier, le substrat receveur 10 comprend le premier substrat support 11 et une couche de silicium amorphe additionnelle 12. Une couche d’oxyde, par exemple, une couche d’oxyde natif peut être disposée entre le premier substrat support 11 et la couche de silicium amorphe additionnelle 12. La couche d’oxyde natif est, par exemple, une couche d’oxyde de silicium dans le cas d’un substrat en silicium. Le premier substrat support 11 est, de préférence, un substrat en matériau semiconducteur, de préférence en silicium. Le substrat donneur 20 fourni à l’étape a) comprend le deuxième substrat support 21 recouvert successivement par la couche tampon 22, de préférence en SiGe, la couche de silicium contrainte 23, la couche d’oxyde 24 et la couche de silicium amorphe 25. Le deuxième substrat support 21 est, de préférence, un substrat en matériau semiconducteur, de préférence en silicium. Le deuxième substrat support 21 peut être un substrat massif (« bulk »), de préférence en silicium. Selon une autre variante de réalisation, le deuxième substrat support 21 peut comprendre une couche de matériau semiconducteur, de préférence en silicium, et une ou plusieurs autres couches, par exemple il peut comprendre une couche de matériau électriquement isolant, comme du SiO 2 . La couche tampon 22 (aussi notée TGB pour « Thick Graded Buffer ») est, de préférence, une couche en SiGe. Elle contient par exemple 20%at de Ge. La couche tampon peut être un bicouche formé d’une première partie en SiGe présentant un gradient croissant de Ge depuis le substrat support 21 et une deuxième partie ayant un pourcentage atomique constant de Ge (20% at par exemple). La première partie de la couche tampon est en contact avec le deuxième substrat support 21. La deuxième partie de la couche tampon est en contact avec la couche contrainte 23. La couche tampon 22 peut être formée par épitaxie. Par exemple, pour former une telle couche par épitaxie, il est possible de réaliser, dans un premier temps, une épitaxie dite graduelle de SiGe présentant un gradient en pourcentage atomique de Ge allant, par exemple, de 0% à 20% at depuis le deuxième substrat support 21, puis de réaliser une épitaxie de SiGe avec un pourcentage constant de Ge, par exemple 20%at. La couche en silicium contrainte 23 a une épaisseur comprise par exemple entre 2 nm et 200 nm, avantageusement entre 10 et 25 nm sur SiGe, de préférence sur SiGe à 20%at. La couche en silicium contrainte 23 est une couche dont la structure cristallographique est contrainte en tension ou en compression selon l’utilisation de la structure finale. La structure cristallographique peut être contrainte en tension ou en compression lors d'une croissance cristalline, de préférence par épitaxie, qui permet de modifier la maille cristalline dans la direction de croissance. La couche d’oxyde 24 est une couche dite couche d’oxyde enterrée (BOX pour « Buried OXide »). Il s’agit, de préférence, d’une couche d’oxyde de silicium. Cette couche 24 peut être une couche d’oxyde thermique ou encore une couche d’oxyde déposée. De préférence, il s’agit d’un oxyde thermique. De tels oxydes sont de meilleure qualité. Cet oxyde sera, avantageusement, obtenu avec un budget thermique minimal. La couche de silicium amorphe 25 a, de préférence, une épaisseur de plus de 5 nm. Cette couche peut être formée, par exemple, par une technique de dépôt chimique en phase vapeur, notamment par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD pour « Low Pressure. Chemical Vapor Deposition”) ou encore par dépôt chimique en phase vapeur à pression réduite (RPCVD pour « Reduced Pressure Chemical Vapor Deposition »). Avant de mettre en œuvre l’étape b), un traitement de surface adapté est, avantageusement, réalisé sur le substrat receveur 10 et/ou sur le substrat donneur 20. Par exemple, le traitement de surface peut consister à réaliser un ou plusieurs des traitements suivants : un polissage mécanique et/ou chimique, un traitement chimique, un traitement UV/Ozone, un traitement RIE (« Reactive Ion Etching »), un traitement plasma, un recuit hydrogène, etc. Lors de l’étape b), le substrat donneur 20 et le substrat receveur 10 sont mis en contact pour former une interface de collage. Plus particulièrement, soit la couche de silicium amorphe 25 et le premier substrat support 11 sont mis en contact soit la couche de silicium amorphe 25 et la couche de silicium amorphe additionnelle 12 sont mises en contact. Le collage entre le substrat donneur 20 et le substrat receveur 10 est un collage de type silicium-silicium. L’interface de collage peut être l‘interface entre le premier substrat support 11 et la couche de silicium amorphe 25 ou l’interface entre la couche de silicium amorphe additionnelle 12 et la couche de silicium amorphe 25. Il peut s’agir d’un collage dit hydrophile, c’est-à-dire que l’adhésion se fait entre deux surfaces hydrophiles, c’est-à-dire entre deux surfaces ayant la capacité de se lier par l’intermédiaire de molécules d’eau présentes à l’interface de collage. Les surfaces hydrophiles sont typiquement terminées par des groupements hydroxyles. Pour mettre en œuvre un collage hydrophile, un traitement hydrophile des surfaces à coller sera mis en œuvre, avant l’étape b). Par exemple, il peut s’agir d’un nettoyage de type SC1 suivi d’un rinçage à l’eau. A l’issue de cette étape, les surfaces sont recouvertes d’une fine pellicule d’eau (de l’ordre de 2 ou 3 monocouches) liée à la face principale par des liaisons hydrogène. Selon une autre variante de réalisation, le collage est un collage dit hydrophobe, c’est-à-dire que les surfaces n’ont pas la capacité d’adsorber les molécules d’eau. Les surfaces sont par exemple saturées d’atomes d’hydrogène et/ou de fluor. Afin de réaliser un collage hydrophobe, les surfaces à coller peuvent être traitées, préalablement au collage, avec de l’acide fluorhydrique. Un tel traitement est par exemple décrit dans l’article de Fournel et al. (ECS Trans. 2006, 3 (6), 139-146). Le collage peut être réalisé à pression ambiante ou sous vide (par exemple avec un vide supérieur à 1.10 -3 mbar). Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux dans le cas d’un collage hydrophile. Un tel collage de surfaces hydrophiles est par exemple décrit dans le document US 2022/0319910 A1. Alternativement, le collage peut être réalisée sous ultra-vide (ou UHV pour « Ultra High Vacuum » en termes anglophones). De préférence, le collage est un collage SAB (« Surface Activated Bonding »). Pour cela, les surfaces des couches de silicium amorphes 12, 25 sont bombardées ioniquement sous ultra-vide avant d’être mises en contact. La mise en contact peut être réalisée à température ambiante (typiquement entre 20 et 25°C). Alternativement, le collage peut être un collage ADB (« Atomic Diffusion Bonding »). Le collage des deux couches de silicium amorphes 12, 25 est réalisé sous UHV. De tels collages sont, par exemple, décrits dans les articles de Suga et al. (7th Electronic System-Integration Technology Conference (ESTC), 2018, 1–4) et Amino et al. (Japanese J. Appl. Phys., 2022, 61, SF1002). Les collages hydrophiles et hydrophobes sont préférés par rapport aux collage ADB et SAB pour leur facilité de mise en œuvre et leur coût. Encore plus préférentiellement, le collage est un collage hydrophile. Lors de l’étape c), un traitement thermique de consolidation du collage est mis en œuvre. Ce traitement thermique est, par exemple, réalisé à une température comprise entre 500 °C et 800 °C, et de préférence entre 500 °C et 700 °C. Ce recuit de consolidation du collage est réalisé à une température modérée, compatible avec un collage Si-Si. Lors de l’étape d), le deuxième substrat support 21 et la couche tampon 22 sont retirés, moyennant quoi on obtient une structure SSOI. Cette étape de séparation peut être réalisée par un procédé de type Smart Cut™. Pour un procédé de type Smart Cut TM , un collage hydrophile sera préféré. Afin de mettre en œuvre le procédé de type Smart Cut TM , entre l’étape a) et l’étape b), une étape d’implantation d'espèces ioniques, telles que de l'hydrogène et/ou de l'hélium, dans le substrat donneur 20 au travers de la couche de silicium amorphe 25 et de la couche d'oxyde 24 est réalisée de sorte à former une zone de fragilisation délimitant la partie de la couche de silicium 23 à transférer. La fracture du substrat donneur 20 a lieu le long de la zone de fragilisation, ce qui permet de détacher le reliquat du substrat donneur 20 et transférer la couche mince de silicium 23 sur le substrat receveur 10. Avantageusement, le recuit de consolidation du collage mis en œuvre lors de l’étape c) permet de réaliser la fracture le long de la ligne de fragilisation. Autrement dit, avec un procédé de type Smart Cut TM , les étapes c) et d) sont réalisées simultanément. Alternativement, l’étape de séparation peut être réalisée par un retrait physique réalisé par meulage (« Grinding » en terme anglosaxon) à partir de la face du substrat donneur 20 opposé à l’interface de collage, suivi d’une attaque chimique par exemple. La structure ainsi obtenue est une structure SSOI comprenant successivement un substrat support 11, une couche de silicium amorphe 25, une couche d’oxyde enterrée 24 et une couche de silicium contrainte 23. La couche de silicium 23 peut être contrainte en tension ou en compression. Selon une variante de réalisation, la structure comprend, en outre, entre le substrat support 11 et la couche de silicium amorphe 25, une couche additionnelle de silicium amorphe 12. Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. La personne du métier comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d’autres variantes apparaîtront à la personne du métier. Enfin, la mise en œuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de la personne du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus. Exemple illustratif et non limitatif d’un mode particulier de réalisation Dans cet exemple, le substrat donneur 20 est fabriqué selon les étapes suivantes : - sur un substrat support 21 (aussi appelé substrat virtuel), par exemple un substrat massif de silicium, former une couche tampon de SiGe 22 en réalisant une épitaxie graduelle de SiGe de 0 à 20% sur une épaisseur de 2µm puis une épitaxie de SiGe à 20% sur une épaisseur de 0,5µm à 2µm, - polir la couche tampon 22 de SiGe à 20%at par polissage mécano-chimique, - déposer une couche de silicium contrainte 23 par épitaxie, puis nettoyer la couche obtenue, - réaliser une oxydation thermique de la couche de silicium 23, à basse température (typiquement à 700°C) de manière à obtenir une couche d’oxyde 24 de 25 nm, - former une couche de silicium amorphe 25 par LPCVD ou RPCVD sur la couche d’oxyde, - réaliser une implantation afin de pouvoir mettre en œuvre ultérieurement la fracture. Le substrat receveur 10 est fabriqué selon les étapes suivantes : - fournir un substrat support 11 en silicium recouvert par une couche d’oxyde natif, - nettoyer le substrat par un traitement chimique de type SC1 ou ozone, - déposer une couche de silicium amorphe 12, par LPCVD ou RPCVD. Le substrat donneur 20 et le substrat receveur 10 sont ensuite assembler par collage. Un recuit de consolidation à basse température est ensuite réalisé à basse température (par exemple à 500 °C). Le recuit de consolidation permet simultanément de réaliser la fracture et d’obtenir une structure SSOI. Procédé de fabrication d’une structure SSOI comprenant les étapes suivantes : - Fournir un substrat receveur (10) comprenant un premier substrat support (11), - Fournir un substrat donneur (20) comprenant un deuxième substrat support (21) recouvert successivement par une couche tampon, de préférence en SiGe (22), une couche de silicium contrainte (23), une couche d’oxyde (24) et une couche de silicium amorphe (25), - Mettre en contact le substrat receveur (10) et le substrat donneur (20) pour former une interface de collage, - Réaliser un traitement thermique à une température comprise entre 500 et 800°C pour consolider l’interface de collage, - Retirer le deuxième substrat support (21) et la couche tampon (22), moyennant quoi on obtient une structure SSOI. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de silicium amorphe (25) a une épaisseur comprise entre 5 nm et 10 nm. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat receveur (10) comprend le premier substrat support (11) et une couche additionnelle en silicium amorphe (12). Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la couche additionnelle (12) en silicium amorphe a une épaisseur comprise entre 5 nm et 10 nm. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le collage est un collage hydrophile. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le collage est un collage hydrophobe. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier substrat support (11) est en un matériau semiconducteur, de préférence en silicium. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième substrat support (21) est en un matériau semiconducteur, de préférence en silicium. Structure SSOI comprenant successivement un premier substrat support (11), une couche de silicium amorphe (25), une couche d’oxyde (24) et une couche de silicium contrainte (23). Structure SSOI selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche de silicium amorphe (25) a une épaisseur comprise entre 5 et 10 nm. Structure selon l’une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce qu’une couche additionnelle (12) de silicium amorphe est disposée entre le premier substrat support (11) et la couche de silicium amorphe (25).