FR2894067A1 - Procede de collage par adhesion moleculaire - Google Patents

Abstract

L'invention concerne sous un premier aspect un procédé de collage par adhésion moléculaire de deux substrats entre eux au cours duquel on procède à la mise en contact intime des surfaces desdits substrats et le collage s'opère par propagation d'une onde de collage entre lesdits substrats, caractérisé en ce qu'il comporte avant collage une étape consistant à modifier l'état de surface de l'un et/ou l'autre desdits substrats de manière à réguler la vitesse de propagation de l'onde de collageL'état de surface est modifié en venant rugosifier la surface de l'un et/ou l'autre des substrats donneur et support.

Description

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Le domaine de l'invention est celui du collage par adhésion moléculaire de deux substrats entre eux. L'invention concerne un procédé et un équipement de collage. Elle s'étend également à la formation d'une structure comportant une couche mince en un matériau semi-conducteur sur un substrat support. Pour former une telle structure, on procède en effet typiquement à la mise en contact intime d'un substrat donneur avec le substrat support de manière à réaliser un collage par adhésion moléculaire des substrats entre eux. On procède ensuite au transfert d'une partie du substrat donneur vers le substrat support de manière à former la couche mince sur le substrat support. Le collage par adhésion moléculaire ( direct wafer bonding ou fusion bonding selon la terminologie anglo-saxonne) est une technique permettant de faire adhérer l'un à l'autre deux substrats présentant des surfaces parfaitement planes ( poli-miroir ), et cela sans application d'adhésif (de type colle, glue, etc.). Les surfaces en question sont en général celles de substrats en matériau isolant (par exemple quartz, verre) ou en matériau semi-conducteur (par exemple Si, GaAs, SiC, Ge...). Le collage est typiquement initié par application locale d'une légère pression sur les deux substrats mis en contact intime. Une onde de collage se propage ensuite sur toute l'étendue des substrats en quelques secondes. L'énergie de collage obtenue à température ambiante est généralement assez faible par rapport à celle observée entre deux solides liés de façon covalente, ionique ou métallique.

Pour de nombreuses applications, le collage est alors renforcé en réalisant un recuit thermique. Dans le cas d'une surface de silicium collée sur une autre surface de silicium ou d'oxyde de silicium, l'énergie de collage devient ainsi maximale après un recuit de renforcement du collage réalisé à des températures de l'ordre de 1100-1200 C.

Par ailleurs, afin d'obtenir un collage satisfaisant de deux substrats, on réalise typiquement avant collage une préparation de l'une et/ou l'autre des surfaces à coller. II s'agit là d'augmenter la tenue mécanique et/ou d'accroître la qualité de l'interface de collage. Une préparation des surfaces à coller visant à les rendre davantage hydrophiles est un exemple d'un tel traitement permettant d'augmenter la tenue mécanique entre les substrats lors du collage. Dans le cadre d'un collage hydrophile, les propriétés suivantes sont recherchées pour les surfaces à coller : l'absence de particules ; l'absence d'hydrocarbures ; - l'absence de contaminants métalliques ; une faible rugosité de surface, typiquement inférieure à 5 A RMS ; une forte hydrophilie, c'est-à-dire une densité importante de liaisons silanols Si-OH terminant les surfaces à coller. La préparation des surfaces à coller est généralement réalisée en mettant en oeuvre un ou plusieurs traitements chimiques. A titre d'exemples de traitement chimique avant collage (hydrophile), on peut mentionner : le nettoyage de type RCA, à savoir la combinaison d'un bain SC1 (NH4OH, H2O2, H2O) adapté au retrait des particules et des hydrocarbures et d'un bain SC2 (HCI, H2O2, H2O) adapté au retrait des contaminants métalliques ; le nettoyage avec une solution ozonée (03) adapté au retrait des contaminants organiques ; le nettoyage avec une solution contenant un mélange d'acide sulfurique et d'eau oxygénée (encore appelée solution SPM, selon l'acronyme anglo-saxon de Sulfuric Peroxide Mixture ) ; La préparation des surfaces à coller peut également comprendre une préparation mécanique des surfaces (léger polissage ; brossage), en complément ou non des traitements chimiques. En complément des méthodes classiques de collage par adhésion moléculaire, des techniques de collage fort à basse température ont été développées plus récemment pour permettre la réalisation d'hétérostructures

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(collage de deux matériaux de nature différente), pour coller des substrats comportant des composants électroniques partiellement ou totalement réalisés (également connus sous les appellations anglosaxonnes de patterned substrate et de structured wafer ), ou encore pour coller des substrats susceptibles de s'altérer lors d'un recuit à haute température. Le collage par adhésion moléculaire avec activation plasma est un exemple d'une telle technique de collage fort à basse température. L'exposition, avant le collage, de l'une et/ou l'autre des surfaces à coller à un plasma permet d'atteindre de fortes énergies de collage après des recuits de renforcement du collage relativement courts (environ 2 heures) et réalisés à basse température (typiquement inférieure à 600 C). On pourra par exemple se référer aux articles suivants : - Effects of plasma activation on hydrophilic bonding of Si and SiO2 , T. Suni et al., J. Electroch. Soc. Vol. 149, N 6, p. 348 (2002); - Time-dependent surface properties and wafer bonding of 02-plasma treated silicon (100) surfaces , M. Wiegand et al., J. Electroch. Soc. Vol. 147, N 7, p. 2734 (2000). On notera que les différentes techniques de préparation de surface évoquées précédemment font systématiquement appel à au moins une étape humide, à savoir à au moins un rinçage des surfaces par de l'eau déionisée. Les substrats sont ensuite séchés, par exemple par centrifugation ( dry-spin ). En fonction de leur degré d'hydrophilie, les surfaces des substrats présentent après séchage quelques monocouches d'eau adsorbée, ces monocouches étant à l'origine des forces intermoléculaires responsables de l'adhésion lors de la mise en contact. Une application du collage direct est celle qui est faite dans le cadre de la réalisation de structures du type semi-conducteur sur isolant SeOI (selon la terminologie anglo-saxonne Semiconductor On Insulator), et en particulier les structures silicium sur isolant SOI (selon la terminologie anglo-saxonne Silicon On Insulator). Dans ce cadre d'application, l'un au moins des substrats à coller présente une couche d'oxyde en surface ; à titre

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d'exemple, on réalise typiquement un collage Si/SiO2 ou encore un collage SiO2/SiO2 afin de former une structure SOI. II existe principalement trois méthodes de réalisation de structures SeOI par collage direct : SMART CUT , BSOI (et BESOI), et ELTRAN . On pourra trouver une description des procédés associés à chacune de ces méthodes dans' l'ouvrage Silicon wafer bonding technology for VLSI and MEMS applications , S.S. Lyer and A.J. Auberton-Hervé, IEE (2002). Toutefois, le collage par adhésion moléculaire de substrats entre eux occasionne généralement des défauts. Des défauts de type picots sont ainsi susceptibles d'être observés au niveau de la couche mince d'une structure finale couche mince sur substrat support obtenue après transfert. Par picots, on entend des défauts qui résultent du collage et qui sont typiquement observés à la périphérie de la structure finale (généralement sous la forme d'une plaquette circulaire). De tels défauts sont également connus sous la dénomination anglo-saxonne edge void . Comme cela est schématiquement représenté sur la figure 1 dans le cadre de la formation d'une structure SOI, un picot P est un trou (de diamètre typiquement compris entre 100 pm et 1 mm) dans la couche mince transférée qui correspond à une zone du substrat donneur non transférée sur le substrat support A. Les picots apparaissent le plus souvent en bord (zone périphérique) de la structure couche mince sur substrat support (plaquette circulaire) ; ils sont situés à une distance typiquement comprise entre 1 et 5 mm du bord de plaquette.

Les picots sont ainsi des défauts macroscopiques liés à un mauvais collage en bord de plaques. Il s'agit de défauts tueurs car, en l'absence de couche mince servant de couche active pour la formation de composants électroniques à la localisation d'un picot, aucun composant ne peut être fabriqué à cette localisation. Etant donné la taille des picots, un composant électronique comprenant au moins un picot est nécessairement défectueux. En outre, un procédé de transfert du type SMART CUT présente notamment l'intérêt de permettre le recyclage du substrat donneur. Or lorsque l'on réalise le collage d'un substrat donneur recyclé (c'est-à-dire un substrat donneur ayant déjà servi pour le prélèvement et le transfert d'une 5 couche mince ; plaquette dite refresh ), on observe un nombre de picots plus important que lorsque l'on réalise le collage d'un substrat donneur originel (n'ayant jamais servi au prélèvement et au transfert d'une couche mince ; paquette dite fresh ). Cette présence accrue de picots tend alors à interdire la réalisation du recyclage.

La présence de picots induisant des pertes en terme de qualité et de rendement, il existe donc un besoin pour éviter la formation de tels défauts. II a été proposé dans le document EP 1 566 830 de limiter le nombre de défauts de type voids et picots en bord de plaquette SOI obtenue suite à un collage moléculaire. Selon ce document, ces défauts se situent toujours à une position spécifique par rapport au centre de la plaquette, et semblent être dus à la configuration des bords de plaquettes. Ainsi pour diminuer le nombre de défauts, ce document propose de modifier la configuration des bords de plaquettes lors de leur fabrication. Plus précisément, ce document propose de modifier la courbure des tombées de bord, dans des régions allant de 3 à 10 mm à partir de la périphérie de la plaquette. Cette solution présente donc l'inconvénient de nécessiter une intervention mécanique préalable sur les plaquettes. L'invention vise à proposer une autre technique permettant d'éviter la formation de picots.

Selon un premier aspect, l'invention concerne un procédé de collage par adhésion moléculaire de deux substrats entre eux au cours duquel on procède à la mise en contact intime des surfaces desdits substrats et le collage s'opère par propagation d'une onde de collage entre lesdits substrats, caractérisé en ce qu'il comporte avant collage une étape consistant à modifier l'état de surface de l'un et/ou l'autre desdits substrats de manière à réguler la vitesse de propagation de l'onde de collage.

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Certains aspects préférés, mais non limitatifs, de ce procédé sont les suivants : la modification de l'état de surface est réalisée par rugosification de la surface ; l'étape de modification de l'état de surface consiste à former une couche rugueuse en surface de l'un et/ou de l'autre des substrats à coller ; pour former ladite couche rugueuse, le procédé comporte une opération d'oxydation thermique de l'un et/ou l'autre des substrats de manière à former une couche d'oxyde thermique en surface de l'un et/ou l'autre des substrats et une opération de traitement de la couche d'oxyde thermique adaptée pour graver ladite couche d'oxyde ; le traitement de la couche d'oxyde thermique est un traitement chimique ; la couche d'oxyde thermique est une couche de SiO2, et le traitement chimique est un traitement SC1 réalisé à un température comprise entre 50 C et 80 C pendant une durée supérieure à trois minutes, préférentiellement pendant 10 minutes ; pour former la couche rugueuse, le procédé comporte une opération de dépôt d'une couche d'oxyde en surface de l'un et/ou l'autre des substrats ; l'opération de dépôt consiste à réaliser le dépôt d'une couche d'oxyde TEOS, d'une couche d'oxyde LTO, ou d'une couche de nitrure. Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un procédé de formation d'une structure comportant une couche mince en un matériau semiconducteur sur un substrat support, comprenant les étapes de mise en contact intime d'un substrat donneur avec le substrat support de manière à réaliser un collage par adhésion moléculaire desdits substrats entre eux suite à la propagation d'une onde de collage entre lesdits substrats et de transfert d'une partie du substrat donneur vers le substrat support de manière à former ladite couche mince sur le substrat support, caractérisé en ce qu'il

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comporte avant collage une étape consistant à modifier l'état de surface du substrat donneur et/ou du substrat support de manière à réguler la vitesse de propagation de l'onde de collage. Et l'invention s'étend bien entendu aux structures couche mince sur substrat support obtenues par la mise en oeuvre de ce procédé. D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels, outre la figure 1 déjà commentée : la figure 2 illustre la formation de picots en fonction de la localisation du point d'initialisation du collage ; la figure 3 est un schéma représentant le procédé de collage selon le premier aspect de l'invention.

L'invention concerne selon un premier aspect un procédé de collage par adhésion moléculaire de deux substrats entre eux au cours duquel on procède à la mise en contact intime desdits substrats et le collage s'opère par propagation d'une onde de collage entre lesdits substrats. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au collage par adhésion moléculaire de deux substrats entre eux, mais s'étend également à la formation d'une structure comportant une couche mince en matériau semi-conducteur sur un substrat support, au cours duquel on réalise un collage par adhésion moléculaire d'un substrat donneur avec le substrat support, et on procède au transfert de la couche mince depuis le substrat donneur vers le substrat support. Comme mentionné précédemment, les procédés SMART CUT , BSOI (et BESOI), et ELTRAN sont des exemples de tels procédés mettant en oeuvre un collage par adhésion moléculaire. Selon le procédé SMART CUT , on vient former avant collage, une 30 zone de fragilisation par implantation d'espèces atomiques ou ioniques dans l'épaisseur du substrat donneur, et on procède après collage, au '

détachement du substrat donneur au niveau de la zone de fragilisation de manière à transférer la couche mince sur le substrat support. Afin de réaliser un tel collage moléculaire, on vient typiquement mettre en contact intime le substrat donneur et le substrat support, puis on initie le collage par application locale d'une légère pression sur les deux substrats mis en contact intime. Une onde de collage se propage ensuite sur toute l'étendue des substrats. L'origine des picots n'est pas déterminée de façon certaine aujourd'hui. L'analyse de la Demanderesse est que les picots sont des défauts se formant à la fermeture du collage, là où l'onde de collage rencontre le bord des substrats collés. Les représentations de la figure 2 viennent étayer l'analyse de la Demanderesse. On notera que sur cette figure 2, les flèches représentent le sens et la direction de propagation de l'onde de collage, les traits pointillés représentent la position de l'onde de collage à différents instants, et les points représentent les picots. Comme cela est illustré à gauche sur la figure 2, la Demanderesse a effectivement pu constater que lorsque le collage est initié au centre (par application locale d'une pression), on trouve potentiellement des picots sur toute la périphérie du substrat support. En revanche, comme cela est illustré à droite sur la figure 2, lorsque le collage est initié en bord de plaquette (typiquement au niveau d'une entaille dite notch pratiquée en bord de plaquette pour faciliter sa manipulation), des picots peuvent apparaître dans une zone périphérique du substrat support décrivant un arc de cercle diamétralement opposé au point d'initiation, limité par un angle au centre a d'environ 120 . D'une manière générale, l'invention propose de limiter la formation de défauts occasionnés par le collage, voire même d'éviter totalement la formation de tels défauts, en régulant la vitesse de propagation de l'onde de collage.

Par réguler , on entend classiquement contrôler, maintenir et conserver la maîtrise de l'évolution d'un phénomène. Dans le cadre de la présente invention, le phénomène est celui de la propagation de l'onde de collage, et l'évolution du phénomène correspond à la vitesse de propagation l'onde de collage. La vitesse de propagation est plus précisément régulée de manière à être réduite par rapport à la vitesse classiquement observée en l'absence d'un tel contrôle. En venant réduire la vitesse de l'onde de collage, un collage de meilleure qualité (en particulier en bord de plaquette) peut être obtenu, prévenant ainsi le non transfert de certaines zones du substrat donneur vers le substrat support et par conséquent la formation de picots. Afin de permettre la régulation de la vitesse de propagation de l'onde de collage, l'invention propose de réaliser avant collage une étape de modification de l'état de surface de l'une et/ou l'autre des surfaces à coller.

Dans le cadre de l'invention, l'état de surface d'un substrat est modifié en modifiant la rugosité de surface avant collage. Ce mode de réalisation est plus particulièrement adapté à la formation d'une structure SeOl pour laquelle une couche d'isolant est intercalée entre la couche mince et le substrat support (on parle également de couche enterrée pour qualifier une telle couche d'isolant). Cette couche d'isolant est classiquement formée par oxydation thermique du substrat donneur et/ou du substrat support ou encore par dépôt d'une couche d'oxyde en surface du substrat donneur et/ou du substrat support. Ce mode de réalisation s'avère notamment avantageux pour la formation d'une structure SeOl présentant une fine couche d'isolant. Il s'avère en effet particulièrement difficile à l'aide des techniques de l'art antérieur de réaliser un collage et/ou un transfert sans défaut avec une telle couche fine intercalée entre la couche mince et le substrat support. On notera ici que par couche fine d'isolant, on entend généralement une couche dont l'épaisseur est inférieure à 500 A, voire même inférieure à 200 A.

La vitesse de propagation de l'onde de collage est sensible à l'état de surface des substrats mis en contact. Les différents nettoyages et/ou traitements de surface réalisés avant collage, mais aussi la rugosité de surface influencent ainsi la rapidité avec laquelle l'onde de collage se propage. Dans le cadre de ce mode de réalisation, la Demanderesse propose de contrôler la rugosité de surface d'une couche d'oxyde de manière à réguler la vitesse de propagation de l'onde de collage, c'est-à-dire de manière à contrôler la réduction de la vitesse de propagation de l'onde de collage.

L'onde de collage étant ralentie, il en découle une diminution du nombre de picots en bord de la plaque. Une première variante consiste avant collage, à modifier l'état de surface d'une couche d'oxyde thermique formée en surface de l'un des substrats donneur ou support et destinée à former la couche enterrée en réalisant un nettoyage agressif de la surface de ladite couche d'oxyde. Ce nettoyage est réalisé avant une éventuelle activation plasma. Bien entendu, on peut prévoir de former une couche d'oxyde thermique sur chacun des substrats donneur et support, et de réaliser un tel nettoyage agressif de l'une et/ou l'autre des surfaces desdites couches d'oxyde thermique. Par exemple, dans le cas de la formation d'une structure SOI comprenant une couche d'oxyde thermique enterrée ultra fine de l'ordre de 250 A à 500 A (une telle couche étant connue sous l'appellation Ultra Thin BOX ), un traitement chimique adapté peut être réalisé afin de graver légèrement la surface de la couche d'oxyde. Il s'agit par exemple d'appliquer un traitement SC1 selon des conditions (température, durée) plus importantes que celles respectées lors d'un traitement classique de nettoyage. Le traitement SC1 peut ainsi être appliqué dans le cadre de l'invention à une température comprise entre 50 C et 80 C, par exemple de l'ordre de 70 C, avec une durée de traitement supérieure à 3 minutes, par exemple de l'ordre de 10 minutes.

La figure 3 est un schéma illustrant le procédé de collage selon cette variante au premier aspect de l'invention. A l'étape 1, on dispose de deux substrats A et B. A l'étape B, on procède à l'oxydation thermique du substrat A de manière à former une couche d'oxyde O en surface du substrat A. A l'étape 3, on réalise un nettoyage agressif de la couche d'oxyde O de manière à obtenir une couche rugueuse O' en surface du substrat A. A l'étape 4, on procède à la mise en contact intime des substrats A et B par l'intermédiaire de la couche rugueuse O' et on initie le collage de sorte qu'une onde de collage se propage à l'interface de collage.

Une seconde variante consiste avant collage, à modifier l'état de surface de l'un et/ou l'autre des substrats donneur et support en réalisant le dépôt d'une couche par nature rugueuse sur l'un et/ou l'autre desdits substrats. Dans le cadre de l'exemple de la figure 3, on comprend que selon cette seconde variante les étapes 2 et 3 de la figure 3 sont réalisées dans le même temps par dépôt d'une couche rugueuse O' en surface du substrat A. II s'agit par exemple de réaliser le dépôt d'une couche d'oxyde TEOS (par exemple déposé par LPCVD - Low Pressure Chemical Vapor Deposition- ou par PECVD - Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), d'une couche d'oxyde LTO (par réaction chimique du silane avec l'oxygène), ou encore d'un couche de nitrure. Le dépôt est alors réalisé selon des conditions de dépôt adaptées, en fonction de l'épaisseur finale désirée, pour cibler une certaine rugosité, et en particulier une rugosité telle que l'état de surface permette de limiter la vitesse de propagation de l'onde de collage. A titre d'exemple, une rugosité d'une couche d'oxyde TEOS comprise entre 2 et 5 A RMS permet de limiter la vitesse de propagation de l'onde de collage, et cela tout en conservant une bonne énergie de collage. On précise ici que le dépôt TEOS est particulièrement adapté pour la formation d'oxydes fins (épaisseur inférieure à 500 A voire inférieure à 250 A). En effet, la rugosité d'un tel oxyde déposé est typiquement celle recherchée, et cela sans nécessiter de traitement additionnel. Des conditions de dépôt permettant de cibler une rugosité adéquate sont par exemple les suivantes : pression comprise entre 300 et 700 mT ; température comprise entre 650 et 700 C. On notera que l'augmentation de la pression, tout comme l'augmentation de la température, conduit à une diminution de la rugosité. On notera que cette seconde variante est applicable tant pour les dépôts d'oxydes épais que pour les dépôts de films ultra fins, qui subissent 10 ou non par la suite un traitement d'activation par plasma.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Procédé de collage par adhésion moléculaire de deux substrats (A, B) entre eux au cours duquel on procède à la mise en contact intime des surfaces desdits substrats et le collage s'opère par propagation d'une onde de collage entre lesdits substrats, caractérisé en ce qu'il comporte avant collage une étape consistant à modifier l'état de surface de l'un et/ou l'autre desdits substrats de manière à réguler la vitesse de propagation de l'onde de collage.

2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la modification de l'état de surface est réalisée par rugosification de la surface.

3. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étape de modification de l'état de surface consiste à former une couche rugueuse en surface de l'un et/ou de l'autre des substrats à coller.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que pour former ladite couche rugueuse, il comporte une opération d'oxydation thermique de l'un et/ou l'autre des substrats de manière à former une couche d'oxyde thermique en surface de l'un et/ou l'autre des substrats et une opération de traitement de la couche d'oxyde thermique adaptée pour graver ladite couche d'oxyde.

5. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le traitement de la couche d'oxyde thermique est un traitement chimique.

6. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la couche d'oxyde thermique est une couche de SiO2 et le traitement chimique est un traitement SC1 réalisé à un température comprise entre 50 C et 80 C pendant une durée supérieure à trois minutes, préférentiellement pendant 10 minutes.

7. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que pour former ladite couche rugueuse, il comporte une opération de dépôt d'une couche d'oxyde en surface de l'un et/ou l'autre des substrats.

8. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'opération de dépôt consiste à réaliser le dépôt d'une couche d'oxyde TEOS, d'une couche d'oxyde LTO, ou d'une couche de nitrure.

9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre avant collage et suite à ladite étape de modification de l'état de surface, une étape d'activation plasma de l'une et/ou l'autre des surfaces à coller.

10. Procédé de formation d'une structure comportant une couche mince en un matériau semiconducteur sur un substrat support, comprenant les étapes de: - mise en contact intime d'un substrat donneur avec le substrat support de manière à réaliser un collage par adhésion moléculaire desdits substrats entre eux suite à la propagation d'une onde de collage entre lesdits substrats ; transfert d'une partie du substrat donneur vers le substrat support de manière à former ladite couche mince sur le substrat support ; caractérisé en ce qu'il comporte avant collage une étape consistant à modifier l'état de surface du substrat donneur et/ou du substrat support de manière à réguler la vitesse de propagation de l'onde de collage.30