FR2938975A1 - Procede de realisation d'une heterostructure de type silicium sur saphir - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de réalisation d'une hétérostructure de type silicium sur saphir comprenant le collage d'un substrat SOI (110) sur un substrat en saphir (120) et l'amincissement du substrat SOI, l'amincissement étant réalisé par meulage suivi d'une gravure du substrat SOI (110). Conformément au procédé, le meulage est réalisé avec une roue (210) dont la surface de travail (211) comprend des particules abrasives d'une taille moyenne supérieure à 6,7 microns et en ce que ledit procédé comprend, après le meulage et avant la gravure, une étape de recuit post-meulage de l'hétérostructure réalisée à une température comprise entre 150°C et 170°C.
Description
Domaine technique et art antérieur La présente invention concerne la réalisation de structures hétérogènes formées par collage d'au moins un substrat en matériau semi-conducteur tel que du silicium sur un substrat en saphir (AL2O3). L'invention s'applique notamment dans le cas de fabrication d'hétérostructures du type silicium sur saphir connues sous l'acronyme SOS (pour "Silicon-On-Sapphire"). Les hétérostructures comprenant une couche de silicium sur substrat saphir présentent des avantages particuliers. Les structures SOS permettent la réalisation de dispositifs haute fréquence à faible consommation d'énergie. L'utilisation de substrats en saphir permet en outre d'avoir une très bonne dissipation thermique supérieure à celle obtenue par exemple avec des substrats en quartz. Les structures SOS ont d'abord été réalisées par croissance épitaxiale d'une couche de silicium à partir d'un substrat de saphir.
Cependant, avec cette technique, il est difficile d'obtenir des couches ou films de silicium présentant une faible densité de défauts cristallins en raison de la différence importante entre les paramètres de maille et les coefficients de dilatation thermique des deux matériaux. Selon une autre technique, les structures SOS peuvent être réalisées par assemblage d'une structure SOI (silicium sur isolant) sur un substrat en saphir. Dans ce cas, la réalisation d'une structure SOS comprend un collage par adhésion moléculaire (en anglais "direct wafer bonding" ou "fusion bonding") de la structure SOI sur le substrat de saphir, un recuit de renforcement ou de stabilisation de collage, et un amincissement de la structure SOI pour former une couche transférée de silicium sur le substrat de saphir. L'amincissement est typiquement réalisé en deux étapes, à savoir une première étape de meulage permettant de retirer la majeure partie du substrat support de la structure SOI suivie d'une seconde étape de gravure chimique jusqu'à la couche d'oxyde de la structure SOI qui joue le rôle de couche d'arrêt. La gravure chimique est 1 réalisée typiquement avec une solution TMAH (Tetramethylammonium hydroxide). Cependant, comme illustrée sur la figure 1, l'hétérostructure peut présenter après la gravure chimique des défauts de type "cracks" disposés en croix le long des axes cristallins de la couche superficielle de silicium. En outre, la gravure chimique peut conduire à une délamination de la couche de silicium transférée comme le montre la figure 2 où l'on observe une délamination de la couche superficielle de silicium et du substrat de saphir sous-jacent lorsque l'on applique un effort de cisaillement à la couche de silicium. Enfin comme représentés sur la figure 3, ainsi que sur la figure 1, des défauts de type "edge loss" (élargissement de la couronne dû à la délamination) sont déjà présents à l'issue du meulage. Les défauts de type "cracks" disposés en croix sont probablement déjà présents après meulage, mais ne sont pas détectables. Ils sont en fait révélés par la solution TMAH. Les défauts de type "edge loss" sont eux dus à la délamination lors du recuit de renforcement de collage et sont d'autant plus larges que l'épaisseur de silicium présente au moment du recuit de renforcement du collage est importante. La présence de ces défauts ainsi que la délamination sont dus principalement au fait que le collage par adhésion moléculaire entre le substrat de saphir et la couche de silicium transférée n'est pas assez fort pour empêcher la solution de gravure de s'infiltrer au niveau de l'interface de collage. En effet, en raison de la différence importante entre le coefficient de dilatation du silicium et celui du saphir (3,6.10-6/°C pour le silicium et 5.10-6/°C pour le saphir), des contraintes thermomécaniques importantes se produisent dans la structure lors des traitements thermiques post-collage comme le recuit de renforcement, ce qui entraîne l'apparition et la propagation de fissures (cracks) dans le silicium. En outre, comme illustrée sur la figure 4, la différence de coefficient de dilatation thermique entre le silicium et le saphir conduit, lors d'un traitement thermique, à une déformation de l'assemblage telle que des contraintes en tension et de cisaillement importantes sont appliquées au niveau des bords de l'hétérostructure. Ces contraintes peuvent entraîner un décollement sur les bords entre la couche de silicium et le substrat en saphir qui permet à la solution de gravure de s'infiltrer au niveau de l'interface de collage lors de l'amincissement. Cette infiltration affaiblit le collage et peut entraîner la délamination de la structure comme montrée précédemment à la figure 2. Par ailleurs, afin d'éviter d'engendrer des contraintes thermomécaniques trop importantes dans l'hétérostructure lors du recuit de renforcement de collage, la température de celui-ci est limitée (<300°C) par rapport aux températures habituellement utilisées lors de tels recuits (700°C à 800°C). Cette limitation en température ne permet pas d'obtenir une énergie de collage importante entre le silicium et le saphir. Le document US 5 395 788 décrit un procédé de réalisation d'une hétérostructure comprenant le collage d'un substrat de silicium sur un substrat de quartz. Afin de prévenir l'apparition de défauts et une délamination des substrats, ce document préconise de réaliser l'amincissement du substrat de silicium en plusieurs étapes avec des traitements thermiques avant et après chacune de ces étapes. La température des traitements thermique augmente continuellement au fur et à mesure des traitements. En outre, des procédés de collage de silicium sur saphir sont décrits dans les documents suivants: - G. P. Imthurn, G. A. Garcia, H. W. Walker, and L. Forbes, "Bonded Silicon-On-Sapphire Wafers and Devices", J. Appl. Phys., 72(6), 15 Sep. 1992, pp. 2526-2527; - US 5 441 591; Takao. Abe et al., "Dislocation-Free Silicon On Sapphire By Wafer Bonding", Jan. 1994, Jpn J. Appl. Phys. vol. 33, pp. 514-518; - Kopperschmidt et al., "High Bond Energy and Thermomechanical Stress in Silicon on Sapphire Wafer Bonding", Appl. Phys. Lett, 70 (22), p 2972, 1997.
Résumé de l'invention
Un des buts de l'invention est de remédier aux inconvénients précités en proposant une solution permettant de réaliser une hétérostructure de type SOS par collage et amincissement, sur un substrat 4 en saphir, d'un substrat ou structure SOI, et ce en limitant l'apparition des défauts et le risque de délamination décrits précédemment. A cet effet, la présente invention propose un procédé de réalisation d'une telle hétérostructure dans lequel l'amincissement du substrat ou structure SOI est réalisé par meulage suivi d'une gravure caractérisé en ce que le meulage est réalisé avec roue dont la surface de travail comprend des particules abrasives d'une taille moyenne supérieure à 6,7 microns (ou inférieure à 2000 mesh) et en ce que ledit procédé comprend, après le meulage et avant la gravure, une étape de recuit post- meulage de l'hétérostructure réalisée à une température comprise entre 150°C et 170°C. L'utilisation pour le meulage d'une roue ou meule comprenant des particules abrasives d'une taille moyenne supérieure à 6,7 microns permet de réaliser un meulage dit "grossier" ("coarse grinding") en comparaison avec un meulage fin ("fine grinding") réalisé avec une roue comportant des particules abrasives d'une taille moyenne inférieure à 6,7 microns. La Déposante a choisi d'utiliser un tel meulage grossier car il permet d'amincir le substrat SOI en minimisant les risques de délamination entre le substrat SOI et le substrat en saphir pendant le meulage. En effet, en raison de la faiblesse du collage entre ces deux éléments (limitation de la température du recuit de renforcement), on ne peut pas appliquer une force d'appui très importante avec la roue lors du meulage sans risque de délamination. A cet effet, un meulage réalisé avec des particules abrasives d'une taille moyenne au moins supérieure à 6,7 microns permet d'enlever une grande quantité de matière sans avoir à exercer une force d'appui trop importante. Lors du meulage, la force d'appui de la roue sur le substrat SOI n'excède pas 222,5 newtons. En revanche, avec des particules abrasives de taille inférieure correspondant à un meulage fin, le rapport de surface entre la roue fine et le matériau est plus important qu'entre la roue grossière et ce même matériau, ce qui a pour effet d'augmenter la force d'appui de la roue sur le substrat SOI et d'accroître, par conséquent, les risques de délamination. Toutefois, avec un meulage grossier (particules abrasives d'une taille moyenne supérieure à 6,7 dam), le substrat SOI présente une surface écrouie qui est source d'apparition de défauts de type cracks lors des traitements thermiques ultérieurs. En limitant la température du recuit post-meulage à une température comprise entre 150°C et 170°C, on prévient l'apparition de ces défauts. 5 Le recuit post-meulage permet en outre de renforcer le collage entre le substrat en saphir et le substrat SOI et de prévenir ainsi l'infiltration de la solution de gravure dans l'interface de collage lors de la deuxième étape d'amincissement. Une étape de recuit pré-meulage de l'hétérostructure peut également être réalisée afin de renforcer le collage et de réduire encore les risques de délamination lors du meulage. Le recuit pré-meulage est réalisé à une température comprise de préférence entre 150°C et 180°C.
Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est une photographie montrant des défauts de type "edge loss" et de type cracks disposés en croix dans une hétérostructure silicium sur saphir après gravure chimique, la figure 2 est une photographie montrant la délamination d'une hétérostructure silicium sur saphir, la figure 3 est une photographie montrant des défauts de type "edge loss" et de type cracks disposés en croix dans une hétérostructure silicium sur saphir après meulage, la figure 4 illustre la déformation subie par une hétérostructure silicium sur saphir lors d'un traitement thermique, 30 - les figures 5A à 5G, sont des vues schématiques montrant la réalisation d'une hétérostructure mettant en oeuvre un procédé selon l'invention, la figure 6 est un organigramme des étapes mises en oeuvre lors de la réalisation del' hétérostructure illustrée dans les figures 3A à 3F. 25 35 6 Exposé détaillé de modes de réalisation de l'invention
Le procédé de la présente invention s'applique d'une manière générale à la réalisation d'hétérostructure de type SOS (silicium sur saphir) formée à partir d'un assemblage entre un premier substrat de saphir et un deuxième substrat ou structure SOI. Les substrats peuvent avoir notamment des diamètres de 1.50 mm. On décrit, en référence aux figures 5A à 5G et 4, un procédé de réalisation d'une hétérostructure de type SOS à partir d'un substrat initial 110 (Top) et d'un substrat support 120 (Base). Comme représenté sur la figure 5B, le substrat initial 110 est constitué d'une structure de type SOI (Silicium sur Isolant) comprenant une couche de silicium 111 sur un support 113 également en silicium, une couche d'oxyde enterrée 112, par exemple en SiO2, étant disposée entre la couche 111 et le support 113. Le substrat support 120 est constitué d'une plaque ("wafer") de saphir (figure 5A). Avant de procéder au collage du substrat initial 110 sur le substrat support 120, la surface de collage 120a du substrat support en saphir qui a été préalablement polie, typiquement par polissage CMP, peut être préparée (étape Si). Cette préparation peut notamment consister en un nettoyage chimique réalisé notamment par un nettoyage 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, H2O2r H2O) adapté au retrait des contaminants métalliques), un nettoyage type "CARO" ou "Piranhaclean" (H2SO4:H2O2), ou encore un nettoyage avec une solution ozone/eau (O3/H2O). Le nettoyage peut être suivi d'un brossage ("scrubber"). Afin d'accroître encore l'énergie de collage, la surface 120a du substrat 120 peut être activée par un traitement plasma (étape S2). La surface lila de la couche de silicium 111 du substrat initial 110 peut être recouverte d'une couche d'oxyde thermique 114, formée par exemple par oxydation de la surface du substrat (figure 5B, étape S3). La surface lila du substrat initial 110, recouverte ou non d'une couche d'oxyde, peut également être activée par traitement plasma (étape 7 S4). L'activation des surfaces de collage des substrats 110 et 120 peut être réalisée en exposant celles-ci à un plasma à base d'oxygène, d'azote, d'argon ou autres. Les équipements utilisés à cet effet peuvent entre autres être initialement prévus pour des gravures ioniques réactives RIE (acronyme anglo-saxon de "Reactive Ion Etching") à couplage capacitif, ou à couplage inductif ICP (acronyme anglo-saxon de "Inductively Coupled Plasma"). Pour plus de précisions, on pourra par exemple se référer au document de Sanz-Velasco et Coll. intitulé "Room temperature wafer bonding using oxygen plasma treatment in reactive ion etchers with and without inductively coupled plasma" (Journal of Electrochemical Society 150, G155, 2003). Ces plasmas peuvent en outre être plongés dans un champ magnétique, notamment pour éviter des diffusions d'espèces électriquement chargées vers les parois du réacteur, grâce à des équipements de type MERIE (acronyme anglo-saxon de "Magnetically Enhanced Reactive Ion Etching"). La densité du plasma peut être choisie faible, moyenne ou forte (ou "HDP" de l'acronyme anglo-saxon "High-Density-Plasma"). Dans la pratique, l'activation de collage par plasma comprend en général au préalable un nettoyage chimique, tel qu'un nettoyage RCA (à savoir la combinaison d'un bain SC1 (NH4OH, H2O2r H2O) adapté au retrait des particules et des hydrocarbures et d'un bain SC2 (HCI, H2O2, H2O) adapté au retrait des contaminants métalliques), suivi de l'exposition de la surface avec un plasma pendant quelques secondes à quelques minutes.
Un ou plusieurs nettoyages postérieurs à l'exposition plasma peuvent être mis en oeuvre, notamment pour retirer les contaminants introduits lors de l'exposition, tels qu'un rinçage à l'eau et/ou un nettoyage SC1, suivis éventuellement de séchage par centrifugation. Toutefois, ces nettoyages peuvent être remplacés par un brossage permettant d'éliminer une partie importante de ces contaminants. L'activation d'une surface de collage par traitement plasma est bien connue de l'homme du métier et ne sera pas décrite ici plus en détail par souci de simplification. Une fois préparées, les surfaces 111a et 120a sont mises en contact intime et une pression est appliquée sur l'un des deux substrats afin d'initier la propagation d'une onde de collage entre les surfaces en contact (étape S5, figure 3C). Comme bien connu en soi, le principe du collage par adhésion moléculaire, encore appelé collage direct, est basé sur la mise en contact direct de deux surfaces, c'est-à-dire sans l'utilisation d'un matériau spécifique (colle, cire, brasure, etc.). Une telle opération nécessite que les surfaces à coller soient suffisamment lisses, exemptes de particules ou de contamination, et qu'elles soient suffisamment rapprochées pour permettre d'initier un contact, typiquement à une distance inférieure à quelques nanomètres. Dans ce cas, les forces attractives entre les deux surfaces sont assez élevées pour provoquer l'adhérence moléculaire (collage induit par l'ensemble des forces attractives (forces de Van Der Waals) d'interaction électronique entre atomes ou molécules des deux surfaces à coller).
Avant de procéder à l'amincissement du substrat initial 110, le collage est renforcé une première fois en réalisant un recuit pré-meulage (étape S6). Comme indiqué précédemment, en raison de la différence de coefficients de dilatation entre le saphir et le silicium, le recuit pré-meulage est réalisé à une température comprise de préférence entre 150°C et 180°C sur une durée comprise entre 30 minutes et 4 heures. Ce recuit permet de réduire les défauts de type couronne (zone périphérique non transférée) et de prévenir la délamination des deux substrats lors de l'étape de meulage. La réalisation de l'hétérostructure se poursuit par l'amincissement du substrat initial 110 de manière à former une couche transférée correspondant à une portion de la couche de silicium 111. L'amincissement est réalisé d'abord par meulage d'une portion majoritaire du support 113 (étape S7, figure 3D). Conformément à l'invention, le meulage est réalisé avec une roue ou meule 210 dite "grossière", c'est-à-dire une roue dont la surface ou partie active de meulage 211 comporte des particules abrasives d'une taille moyenne supérieure à 6,7 microns (ou 2000 mesh), de préférence supérieure ou égale à 15 microns (ou 1000 mesh), et encore plus préférentiellement supérieure ou égale à 31 microns (ou 500 mesh). Les particules abrasives peuvent être notamment des particules de diamant. A titre d'exemple, la référence d'un modèle de roue commercialisé par la société Saint-Gobain et comportant des particules abrasives type diamant d'une taille moyenne de 6,7 microns (ou 2000 mesh) est: FINE WHEEL STD - 301017:18BB-11-306-B65JP-5MM 11,100x1,197x9,002 MC176261 69014113064 POLISH#3JP1,28BX623D-5MM. La référence d'un modèle de roue commercialisé par la société Saint-Gobain et comportant des particules abrasives type diamant d'une taille moyenne de 44 microns (ou 325 mesh) est: COARSE WHEEL STD - 223599 : 18BB-11-32B69S 11,034 X 1-1/8 X 9,001 MD15219669014111620 COARSE #3R7B69 - 1/8.
Lors du meulage, l'assemblage des deux substrats est maintenu au niveau de la face arrière du substrat support 120 par un support 220, également appelé "chuck", comportant un plateau 222 apte à maintenir le substrat 120, par exemple, par succion ou par un système électrostatique. Durant le meulage, le support 220 peut être fixe tandis que la roue 210 est entraînée en rotation autour de son axe 212. Alternativement, le support 220 peut être aussi mobile en rotation autour d'un axe 221, la roue 210 étant entraînée ou non en rotation. Le meulage est réalisé en maintenant la surface active de meulage 211 de la roue 210 contre le support 113 du substrat initial. Grâce à la taille importante des particules abrasives, le support 113 peut être attaqué efficacement sans avoir à appliquer avec la roue 210 une force d'appui FA trop importante sur l'assemblage, ce qui permet de réduire les risques de délamination entre les deux substrats collés. Pour une roue dont la surface ou partie active de meulage comporte des particules abrasives d'une taille moyenne de 6,7 microns (ou 2000 mesh) la force d'appui maximum est d'environ 222,5 newtons (50 Ibs). Cette force d'appui maximum diminue avec l'augmentation de la taille des particules abrasives. Par exemple, pour une roue dont la surface ou partie active de meulage comporte des particules abrasives d'une taille moyenne de 44 microns (ou 325 mesh) la force d'appui maximum est d'environ 133,5 newtons (30 Ibs). Le meulage est stoppé à environ 120 dam de la surface 120a du substrat support en saphir. On procède ensuite à un recuit post-meulage afin de renforcer le collage et d'éviter l'infiltration de la solution de gravure dans l'interface de collage lors de la deuxième étape d'amincissement. En raison de l'utilisation d'une roue ou meule grossière lors du meulage, la partie restante 113a du support 113 présente une surface écrouie qui est source d'apparition de défauts de type cracks. Afin de prévenir l'apparition de ces défauts, la température du recuit post-meulage est limitée à une température comprise entre 150°C et 170°C. Le recuit post-meulage est réalisé sur une durée comprise entre 30 minutes et 4 heures. L'amincissement du substrat initial est poursuivi par une gravure de la portion restante 113a (étape S9, figure 5E). Cette portion peut être retirée par gravure chimique, encore appelée gravure humide, par exemple, au moyen d'une solution de gravure TMAH (Tetramethylammonium hydroxide). La portion restante 113a peut également être enlevée au moyen d'une gravure ionique réactive (ou "Reactive Ionic Etching"), encore appelée gravure plasma ou gravure sèche. Cette technique de gravure est bien connue de l'homme du métier. Pour rappel, il s'agit d'une gravure physico-chimique mettant en jeu à la fois un bombardement ionique et une réaction chimique entre le gaz ionisé et la surface de la plaque ou de la couche à graver. Les atomes du gaz réagissent avec les atomes de la couche ou de la plaque pour former une nouvelle espèce volatile qui est évacuée par un dispositif de pompage. La couche d'oxyde 112 est utilisée comme couche d'arrêt pour la gravure. Après la gravure, la couche 112 peut être retirée (étape S10, figure 5G), par exemple par désoxydation HF, de manière à laisser subsister une couche transférée 115 correspondant à au moins une partie de la couche de silicium 111. Toutefois, selon les besoins, la couche d'oxyde 112 peut être conservée. On procède éventuellement au détourage de la structure afin de retirer les chanfreins ou tombées de bord (en anglais "edge roll off") présents en périphérie des substrats (étape S11). Alternativement, le détourage peut être réalisé sur le substrat de silicium directement après son assemblage avec le substrat de saphir, et avant l'étape de meulage. On obtient ainsi, tel que représentée sur la figure 5G, une hétérostructure comprenant le substrat support en saphir 120 et la couche transférée 115, avec interposition de la couche d'oxyde enterrée 114.35
Claims (9)
- REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'une hétérostructure de type silicium sur saphir comprenant le collage d'un substrat SOI (110) sur un substrat en saphir (120) et l'amincissement du substrat SOI, l'amincissement étant réalisé par meulage suivi d'une gravure du substrat SOI (110), caractérisé en ce que le meulage est réalisé avec une roue (210) dont la surface de travail (211) comprend des particules abrasives d'une taille moyenne supérieure à 6,7 microns et en ce que ledit procédé comprend, après le meulage et avant la gravure, une étape de recuit post-meulage de l'hétérostructure réalisée à une température comprise entre 150°C et 170°C.
- 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, avant l'amincissement, une étape de recuit pré-meulage de l'hétérostructure réalisée à une température comprise entre 150°C et 180°C.
- 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'il comprend, avant le collage des deux substrats (110, 120), la formation d'une couche d'oxyde sur la surface de collage du deuxième substrat.
- 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend, avant le collage des deux substrats (110, 120), une étape d'activation de la surface de collage d'au moins un des deux substrats.
- 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la gravure est une gravure humide réalisée au moyen d'une solution de gravure chimique.
- 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la gravure est une gravure sèche réalisée au moyen d'une gravure ionique réactive.
- 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la surface de travail (211) de la roue (210) comprend des particules abrasives d'une taille moyenne supérieure ou égale à 15 microns.
- 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la surface de travail (211) de la roue (210) comprend des particules abrasives d'une taille moyenne supérieure ou égale à 31 microns.
- 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, lors du meulage, la force d'appui de la roue (210) sur le substrat SOI (110) n'excède pas 222,5 newtons.
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