WO2006037783A1 - Procédé de transfert d'une couche mince comprenant une perturbation controlée d'une structure cristalline - Google Patents

Procédé de transfert d'une couche mince comprenant une perturbation controlée d'une structure cristalline Download PDF

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WO2006037783A1
WO2006037783A1 PCT/EP2005/054994 EP2005054994W WO2006037783A1 WO 2006037783 A1 WO2006037783 A1 WO 2006037783A1 EP 2005054994 W EP2005054994 W EP 2005054994W WO 2006037783 A1 WO2006037783 A1 WO 2006037783A1
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substrate
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species
zone
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PCT/EP2005/054994
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Ian Cayrefourcq
Carlos Mazure
Konstantin Bourdelle
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S.O.I.Tec Silicon On Insulator Technologies
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
    • H01L21/76—Making of isolation regions between components
    • H01L21/762—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers
    • H01L21/7624—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology
    • H01L21/76251—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology using bonding techniques
    • H01L21/76254—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology using bonding techniques with separation/delamination along an ion implanted layer, e.g. Smart-cut, Unibond

Definitions

  • the present invention relates generally to the treatment of materials, and more particularly to substrates for microelectronics, optics or optoelectronics.
  • the invention relates to a thin film transfer method of a donor substrate to a receiving substrate, said method comprising the creation of a weakening zone in the donor substrate to delimit in said donor substrate a layer to be transferred.
  • a particularly advantageous application of the invention is its implementation as part of a Smart-Cut TM type method.
  • the invention also relates to a transfer method for performing the bonding of layers under advantageous conditions.
  • the subsequent removal of an upper portion of the donor substrate makes it possible to finalize the transfer and to form the final multilayer wafer, which thus comprises the transferred layer (the thickness of which is from a few hundred Angstroms to a few microns), the layer formed by the receiving substrate (the thickness of which is typically several hundred microns), and generally an intermediate layer interposed between the two layers mentioned above (and whose thickness is typically between a few hundred Angstroms and a few thousand Angstrom),
  • the donor substrate is entirely consumed by the transfer.
  • This weakened zone can be achieved by implantation of atomic species such as hydrogen and / or noble gases (case of the Smart Cut TM technology), or by forming a porous region (case of ELTRAN IM technology)
  • atomic species such as hydrogen and / or noble gases
  • ELTRAN IM technology case of ELTRAN IM technology
  • Such substrate manufacturing techniques are typically used for the formation of multilayer slices SeOI type (semiconductor on insulator) whose most common form Ia is the SOI (silicon on insulator).
  • a layer of insulation on the face of the donor substrate and / or the face of the receiver substrate which are brought into intimate contact during the bonding step.
  • This insulating layer can be obtained by treating a substrate (e.g. by thermal oxidation) or by deposition. It will ultimately form the buried insulation layer of the SeOI substrate.
  • the techniques concerned by the invention are those in which the zone of weakening is created by introducing into the donor substrate one or more species (for example hydrogen or helium). It is specified that in the remainder of this text we will evoke "the species" to designate all the cases - including those in which only one type of species is introduced)
  • species for example hydrogen or helium
  • This "introduction" of at least one species can be performed by implantation.
  • Other techniques may possibly be envisaged (for example introduction of species by diffusion - in particular by exposing the donor substrate to a plasma, etc.).
  • the species introduced into the donor substrate are indeed distributed in the thickness of this substrate around a depth corresponding to a concentration peak, and according to a Gaussian distribution (as a first approximation).
  • damaged areas will have to be treated specifically (for example by polishing and / or heat treatment), on the final multilayer wafer or on the remainder of the donor substrate for its recycling.
  • No. 6,756,286 describes methods for minimizing the thickness of the damaged area mentioned above, by favoring the localization of the species implanted around predefined zones of the donor substrate (these zones can be designated by the term "inclusions" )
  • Implanting with hydrogen the donor substrate thus constituted the parameters of said implantation being defined so that a maximum of hydrogen is implanted at the level of the inclusion layer formed by the boron-doped layer by chemical affinity, Implanted hydrogen will locate preferentially in this layer.
  • Such a technique makes it possible to substantially reduce the dispersion of the implanted hydrogen in the thickness of the donor substrate, and it is observed after a fracture heat treatment that the damaged areas on the surface of the created multilayer wafer and on the donor substrate residual from the fracture are significantly smaller than with conventional implantation.
  • An object of the present invention is to provide a new, simple and effective, that reduces the thickness of the damaged area following a fracture practiced at a zone of weakness that was created by introducing species in a donor substrate
  • WO2004 / 008514 discloses a method of forming an embrittlement zone within a monocrystalline donor substrate by diffusion of hydrogen. This process aims to form the weakening zone more rapidly than with the pre-existing diffusion weakening zone forming processes (see page 5 lines 1 to 4 of WO2005 / 004514).
  • US2002 / 0187619 discloses a method for trapping metal contaminants (see page 1, paragraph [001 OJ of US2002 / 0187619).
  • This method comprises a step of forming a zone of weakness by species implantation (hydrogen) in the donor substrate at a first depth by further comprising the formation of a "trapping layer to a second depth
  • the invention is also to enable progress in the field of bonding two layers.
  • Layer transfer techniques include a gluing step in which the surfaces of two layers are in intimate contact.
  • the quality of the bonding (characterized in particular by the energy with which both coflated substrates are related to one another) will have a direct impact on the final quality of the multilayer wafer obtained.
  • the flatness of the substrates to be bonded the presence on their surfaces to bond particles or contaminants, the degree of hydrophilicity of these surfaces directly conditions the energy with which the two substrates will be bonded together after intimate contact.
  • bonding layer thin layer (thickness typically greater than 500 Angstroms) placed between two monocrystalline substrates to be bonded facilitated bonding and limited the appearance of defects (such as blisters) to contacting interface
  • the insulating layer which is formed on at least one of the two substrates and which will form the buried insulator of the final multilayer wafer and also makes it easier to limit bonding defects, This layer of insulation is thus likely to constitute itself a "bonding layer".
  • the examples detailed above may involve direct bonding (that is, without intermediate layer) of two substrates with orientation - or more generally characteristics - different crystal But a te! bonding can be problematic because the crystal structures of the two substrates to be bonded after bonding would tend to s influence each other, and a region whose crystal structure Ia would be disrupted would be created between the two substrates.
  • the direct bonding of two substrates having different cristaliines characteristics is at the origin of crystal defects that can propagate in the one of the substrates, or in both substrates.
  • hydrophilic bonding involves, prior to the bonding itself, cleaning operations which are likely to promote the oxidation of the surfaces to be bonded (cleaning with SC1, SC2, etc. solutions).
  • hydrophobic bonding involves, for example, a cleaning with a solution of the HF type
  • An object of the invention is to make it possible to produce such collages in a simple and effective manner.
  • the invention proposes a method of thin-layer transfer from a donor substrate to a receiving substrate, said method comprising the creation of a weakening zone in the donor substrate for delimiting in said donor substrate a layer to be transferred, said donor substrate having an ordered crystalline structure, characterized in that it comprises the steps of:
  • Said partial recrystallization makes it possible to order the crystal lattice of the donor substrate in a recrystallized region extending between said zone of crystalline defects and the surface of the donor substrate.
  • Said perturbation of the crystalline structure of a surface region of the donor substrate consists in rendering this region amorphous
  • Said introduction of species is carried out by implantation of species
  • said species comprise at least two species of different kinds
  • the parameters of said recrystallization annealing are controlled so as to recrystallize only a desired portion of the thickness of the donor substrate located near said perturbation interface, and to preserve a surface region of said donor substrate whose crystal structure is disturbed,
  • the method comprises a step of bonding said donor substrate with said recipient substrate, then a step of fracturing the donor substrate at the zone of weakening,
  • the parameters of said recrystallization annealing are controlled so as to preserve in the donor substrate an amorphous surface region in order to facilitate said bonding,
  • Said bonding is a direct bonding, involving no intermediate bonding layer between the donor substrate and the receiving substrate,
  • the method comprises a step of treating the donor substrate and / or the receiving substrate in order to improve the bonding between the donor substrate and the receiving substrate,
  • the method comprises a step of disturbing its crystalline structure of a surface region of the receiving substrate, in order to create, in the thickness of said receiving substrate, a disturbed surface region :
  • FIG. 1 schematically represents steps according to one possible embodiment of the method according to the invention
  • FIG. 2 schematically illustrates changes in the structure of a donor substrate after different steps of the embodiment shown in Figure 1.
  • the method according to the invention is, as has been said, a thin-film transfer method from a donor substrate to a receiving substrate, said method comprising the creation of a zone of weakening in the substrate donor for delimiting in said donor substrate a layer to be transferred, said donor substrate having an ordered crystal structure.
  • the method more specifically comprises the steps of:
  • step 10 of the embodiment shown in Figure 1 • disrupt the crystalline structure of a donor substrate surface region (step 10 of the embodiment shown in Figure 1) to create in the thickness of said donor substrate a disturbed surface region, so as to define an interface disturbance between said disturbed region and the underlying region of the donor substrate whose crystal structure is conserved,
  • step 20 of the embodiment illustrated in FIG. 1 Subjecting said donor substrate to a recrystallization annealing (step 20 of the embodiment illustrated in FIG. 1) with a view to causing at least partial recrystallization of said disturbed region from the crystalline structure of said underlying region; the donor substrate, r- and the creation of a zone of crystalline defects in Ie plane of said disturbance interface,
  • Introducing one or more species into the thickness of the donor substrate to create said weakening zone (step 30 of the embodiment illustrated in FIG. 1), the parameters of the introduction of species being adjusted to introduce a maximum of species at said region of crystalline defects.
  • Disruption of the crystalline structure of a surface region of the donor substrate can in particular be achieved by implantation in the donor substrate of heavy species - for example species such as Si, Ge.
  • This "disturbance” may especially correspond to an amorphization of the region of the donor substrate which is traversed by such implantation of heavy species
  • the parameters of such implantation of heavy species are set to control the depth of implantation of these heavy species, which will define in the thickness of the donor substrate a disturbed surface region.
  • This disturbed region typically corresponds to an amorphous surface region of the donor substrate, while the remainder of the donor substrate retains the original structure of the substrate, which was ordered.
  • the donor substrate is a substrate 100 of monocrystalline material.
  • a disturbed surface region 110 thus defines a disturbance interface 120 between said disturbed surface region 110 and the underlying region 130 of the substrate which retains its crystalline structure
  • Ia and depth of the disturbance interface 120 is defined by the parameters of the implantation of heavy species - which are themselves as the said controlled, so that the depth of the disturbance interface 120 mentioned above is itself controlled.
  • the parameters of the implantation of heavy species - and more generally of the perturbation - will thus be defined so that the depth of the perturbation interface 120 corresponds to the desired depth in the donor substrate for the zone of weakness.
  • This desired depth is typically equal to, or slightly greater than, the desired thickness for the thin layer that it is desired to transfer from the donor substrate to the receiving substrate.
  • the recrystallization - whether partial or total - allows reordering the crystal lattice of the donor substrate in a recrystallized region, included in the disturbed surface region.
  • This recrystallized region extends between said perturbation interface 120 and the surface 140 of the donor substrate.
  • the recrystallization - which is obtained by a so-called recrystallization annealing - is carried out on the basis of the "imprint" of the crystalline structure closest to the region to be recrystallized. And this closest crystalline structure is that of the underlying region 130 of the substrate recipient, whose structure has not been altered by the disturbance treatment.
  • recrystallization annealing parameters in particular depending on the thermal budget that it brings to the wafer, recrystallization will gain a greater or lesser thickness of the region whose structure has been disrupted
  • Recrystallisation annealing and causes recrystallization of a donor substrate region extending from the disturbance interface towards the surface of this substrate, and the thickness is controlled.
  • This recrystallization annealing also causes a second effect, which is advantageously used in the context of the invention.
  • This annealing causes in fact the creation of a zone of crystalline defects 180 (types of dislocations) in the plane of said disturbance interface 120.
  • This field extends in a constant depth within the thickness of the donor substrate, according to the plan of the disturbance interface 120.
  • the invention can be implemented with advantage in the general context of a Srnart ⁇ Gut IM type method
  • the species used for such an embrittlement implantation are light species such as H or He.
  • this zone 180 constitute traps for the light species that will be implanted in the donor substrate in order to create its zone of weakening.
  • the implanted lightweight species are concentrated around their peak concentration (depending ia depth in the donor substrate) and in the case 200 of implantation of light species in a donor substrate not previously treated,
  • the depth in the donor substrate of the maximum implantation of the light species - and thus the depth of the weakening zone - is finely controlled because it is defined by the depth of the crystal defect zone.
  • the method according to [invention enables to substantially reduce the dispersion of small species introduced into the thickness of the donor substrate to form F embrittlement zone
  • the Gaussian distribution 195a. 195b introduced species in the thickness of donor substrate having a standard deviation substantially less than the standard deviation of the Gaussian distribution 205 of light species obtained with the methods of the prior art.
  • the method according to the invention allows to limit the thickness of the zone of weakness
  • this reduction of dispersion can be promoted by a heat treatment, as for example during the subsequent heat treatment of embrittlement.
  • the methods disclosed in the documents WO2005 / 004514 and US2002 / 0187619 do not include a step disturbance of a region of the donor substrate or annealing step of recrystallization of a portion or the entire disturbed region.
  • the zone of weakening is formed by placing the donor substrate in a hydrogen plasma, by carrying out a first heat treatment at a temperature not exceeding 250 ° C., then by carrying out a second heat treatment at higher temperatures not exceeding 400 ° C. 0 C. at the end of the second heat treatment, the zone of weakness is formed (see page 11 lines 5-9 of WO2005 / 004514) No rec ⁇ stallisation which is linked to the formation of the embrittlement zone is carried out.
  • the embrittlement zone is formed at a first depth by implantation of hydrogen (see page 1 paragraph [0011] of US2002 / 0187619), and a pilling zone is formed at a second depth for capturing metallic contaminants.
  • light is specified that species may also be introduced into the donor substrate by a technique other than implantation (plasma diffusion or other). In any case, the trapping effect mentioned above, and its associated advantages, remain.
  • a region below this disturbed region extends to the disturbance interface, and its structure has been reordered by recrystallization annealing.
  • Such a region makes it possible a direct bonding of the donor substrate with another substrate - for example the receiver substrate - without there being any need to interpose an insulating layer - or a bonding layer whatsoever.
  • the disturbed surface region (which is reminded that it is typically amorphous) is indeed a region of the donor substrate which itself fulfills the function that would be filled by a bonding layer.
  • This surface region is indeed devoid of the surface relief of an ordered layer such as a monocrystalline layer - it is thus known that an amorphous layer is able to fulfill a function of "bonding layer”.
  • an amorphous layer is able to fulfill a function of "bonding layer”.
  • amorphous layer in particular when it is present on a surface of each of the substrates (donor and recipient), makes it possible to remove the trapped contaminants more quickly at the interface bringing the substrates into contact by absorption into the substrate.
  • Such a treatment of the receiving substrate makes it possible in particular to trap the defects that may be generated during bonding of the recipient substrate with the donor substrate.
  • Such a treatment of the receiving substrate comprises creating an area of crystalline defects buried in the receiving substrate to create a contaminant trapping area, said receiving substrate having an ordered crystalline structure, the method comprising the steps of:
  • the direct bonding of a thin layer of silicon having a first orientation on a solid silicon receiving substrate having a second crystalline orientation different from its first crystalline orientation - or more generally all crystalline networks that are not precisely positioned. facing one another - is at the origin of crystalline defects - in particular of the so-called "through" dislocation type,
  • the defects generated during the bonding are generated and trapped preferentially in the receiving substrate, at this area of buried crystalline defects.
  • Hybrid multilayer slice with Si-Si backing performs the following operations * r- Preparation of a donor for example silicon substrate.
  • This substrate may be of any crystalline orientation ((100), (110),,,,).
  • This substrate can be oxidized on the surface to prepare the implantation steps but in this case the surface oxide thus created will be removed before bonding, in order to finally obtain a direct Si-Si bonding, r-Amorphization of a layer superficial by implantation in the donor substrate.
  • the thickness of the amorphized layer corresponds to the thickness of the layer to be transferred,
  • This amorphization can be achieved by implantation, for example Si with sufficient energy to define a peak concentration implantation close to the thickness of the layer to be transferred,
  • the implantation energy of the Si will be of the order of 50 to 250 keV.
  • the implantation depth extends to about 0 4 msec).
  • the amorphization implantation is also carried out with a dose sufficient to amorphize the layer traversed by the implanted Si (dose of the order of 14 to 10 18 atoms / cm 2 for Si implanted in silicon).
  • 0- Partial recrystallization annealing and creation of buried crystalline defects at the perturbation interface This annealing is typically of the order of 400 ° C. to 1000 ° C. for 30 minutes to 6 hours in a non-oxidizing atmosphere. The duration and the exact annealing temperature will depend on the thickness of the disturbed surface region and disrupted thickness which it is desired to preserve,> embrittlement Implantation for example hydrogen at 60 keV at a dose of 5 * 10 16 atoms / cm 2 so as to locate the peak of hydrogen concentration at the buried crystalline defects zone,
  • a recipient substrate of any crystalline orientation which is preferentially different from that of the donor substrate, said recipient substrate itself optionally comprising an amorphized zone at the surface to further facilitate bonding with the receiving substrate,
  • pretreatment step (step 40 of the method illustrated in FIG. 1) of the donor substrate and / or of the receiving substrate to improve the bonding between the donor substrate and the recipient substrate such as a plasma treatment, or a treatment thermal 35O 0 C for about 2 hours, or thermal annealing treatment to strengthen the bonding interface as described in WO2005 / 004233, or any other treatment known to those skilled in the art to improve bonding between the donor substrate and the receiving substrate, r Bonding of the donor substrate directly onto the receiving substrate via the amorphous surface layer (s) to be bonded (step 50 of the process illustrated in FIG. 1),
  • Fracture heat treatment (step 60 of the process illustrated in FIG. 1) at approximately 4007600 ° C. for 2 to 8 hours to effect the fracture at the weakening zone, and to obtain a multilayer wafer comprising the receiving substrate and the layer transferred from the donor substrate.
  • r- Finishing of the multilayer slice obtained This finish is limited to a light finish because only a small thickness of the wafer surface corresponds to a damaged area during the fracture. This finishing can for example be carried out by rapid annealing (RTA), or sacrificial oxidation, and / or polishing.
  • RTA rapid annealing
  • a finish carried out in the form of an annealing - especially at high temperature (more than 100 ° C.) - could lead to to completely recrystallize the amorphized region (s).
  • the recrystallization annealing parameters are defined so as to lead to a total recrystallization of the amorphous layer.
  • the zone of buried crystalline defects resulting from the recrystallization annealing will be particularly well marked, since the effects of this annealing on the creation of these defects will be felt very markedly.
  • Recrystallization annealing may for example combine a first step of recrystallization average temperature around 600 0 C for about 4 hours' followed by a second higher temperature anneal (around 1000 0 C) for also about 4 hours in order to properly to develop buried trapping dislocations in the donor substrate,
  • the steps of forming the embrittlement zone are performed after gluing (step 50 of the method illustrated in FIG. Figure 1) of the substrate ie donor on the receiver substrate and before the step of fracture 60 (in reference to the embodiment illustrated in Figure 1, the steps of the method according to the invention are then performed in the following order (40-50-10-20 -30- 60),

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Abstract

L'invention concerne un procédé de transfert de couche mince d'un substrat donneur vers un substrat receveur comprenant la création d'une zone de fragilisation dans ie substrat donneur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : - Perturber la structure cristalline d'une région de surface du substrat donneur, afin d!y créer une région superficielle perturbée, et définir une interface de perturbation entre ladite région perturbée et la région sous-jacente du substrat donneur dont la structure cristalline est conservée, - Soumettre ledit substrat donneur à un recuit de recristailisation en vue de provoquer - une recristallisation au moins partielle de ladite région perturbée, à partir de la structure cristalline de ladite région sous-jacente du substrat donneur, - et la création d'une zone de défauts cristallins dans le plan de ladite interface de perturbation, - Introduire une ou plusieurs espèces dans l'épaisseur du substrat donneur pour y créer iadite zone de fragilisation, les paramètres de l'introduction d'espèces étant ajustés pour introduire un maximum d'espèces au niveau de ladite zone de défauts cristallins.

Description

« Procédé de transfert d'une couche mince comprenant une perturbation contrôlée d'une structure cristalline"
SNTRODUCTiON
Cadre général de l'invention - techniques de transfert
La présente invention concerne de manière générale le traitement des matériaux, et plus particulièrement de substrats pour la microélectronique, l'optique ou l'optoélectronique.
Plus précisément, l'invention concerne un procédé de transfert de couche mince d'un substrat donneur vers un substrat receveur, ledit procédé comprenant la création d'une zone de fragilisation dans le substrat donneur pour délimiter dans ledit substrat donneur une couche à transférer.
Et comme on le verra, une application particulièrement avantageuse de l'invention est sa mise en œuvre dans le cadre d'une méthode de type Smart-Cut™.
Par ailleurs, comme on le verra également, selon un aspect particulier l'invention concerne également une méthode de transfert permettant de réaliser le collage de couches dans des conditions avantageuses.
On connaît déjà des procédés de transfert tels que mentionnés ci- dessus.
Ces procédés qui permettent de réaliser des tranches multicouches mettent en œuvre une étape de collage du substrat donneur (qui comprend la couche à transférer) et du substrat receveur (sur lequel la couche sera transférée).
Le retrait ultérieur d'une partie supérieure du substrat donneur permet de finaliser le transfert et de former la tranche multicouche finale, qui comprend ainsi la couche transférée (dont l'épaisseur est de quelques centaines d'Angstrom à quelques microns), la couche formée par le substrat receveur (dont l'épaisseur est typiquement de plusieurs centaines de microns), et généralement une couche intermédiaire intercalée entre les deux couches mentionnées ci-dessus (et dont l'épaisseur est typiquement entre quelques centaines d'Angstrom et quelques milliers d'Angstrom),
Pour réaliser le transfert de seulement une couche mince du substrat donneur vers le substrat receveur, il est possible de coller ledit substrat donneur au substrat receveur, et de supprimer la partie du substrat donneur opposée à la couche à transférer (par exemple par meulage et/ou attaque chimique de la face exposée du substrat donneur). Dans ce cas le substrat donneur est entièrement consommé par le transfert.
II est également possible de créer préalablement au collage du substrat donneur avec le substrat receveur une zone de fragilisation dans l'épaisseur du substrat donneur, de coller le substrat donneur au substrat receveur et de réaliser le transfert par fracture du substrat donneur au niveau de la zone de fragilisation
Cette zone fragilisée peut être obtenue par implantation d'espèce atomique comme de l'hydrogène et/ou des gaz rares (cas de la technologie Smart Cut™), ou par la formation d'une zone poreuse (cas de la technologie ELTRAN IM), On pourra se référer à "Silicon-On-Insulator Technology; Materials fo VLSI", 2nd Edition by J -P Colinge, édité par Kluwer Académie Publishers, pages 50 and 51 pour une plus ample description de ces techniques,
Ce type de technique de transfert avec création d'une zone de fragilisation définit le cadre général dans lequel ("invention s'inscrit.
De telles techniques de fabrication de substrats sont typiquement employées pour la formation de tranches multicouches de type SeOI (semi¬ conducteur sur isolant) dont la forme Ia plus commune est le SOI (silicium sur isolant).
Lors de la fabrication de telles tranches, on forme une couche d'isolant sur la face du substrat donneur et/ou la face du substrat receveur qui sont mis en contact intime lors de l'étape de collage. Cette couche d'isolant peut être obtenue par traitement d'un des substrat (par exemple par oxydation thermique) ou encore par dépôt. Elle formera au final la couche d'isolant enterrée du substrat SeOI.
Et plus généralement, ces techniques de transfert peuvent permettre de constituer tous types de tranches rnulticouches, avec ou sans couche intermédiaire d'isolant. L'invention s'applique ainsi comme on va le voir à la fabrication de tous types de tranches multicouches.
Zone de fracture
On a dit que l'invention s'inscrivait dans le cadre des techniques de transfert par fracture au niveau d'une zone de fragilisation.
Plus précisément, les techniques concernées par l'invention sont celles dans lesquelles on crée la zone de fragilisation en introduisant dans le substrat donneur une ou plusieurs espèces (par exemple de l'hydrogène ou de I hélium). On précise que dans la suite de ce texte on évoquera « les espèces » pour désigner tous les cas de figure - y compris ceux dans lesquels un seul type d'espèce est introduit)
Cette « introduction » d'au moins une espèce peut être réalisée par implantation. D'autres techniques peuvent éventuellement être envisagées (par exemple introduction d'espèces par diffusion - notamment en exposant le substrat donneur à un plasma, etc .).
Dans tous les cas, il est important de définir aussi précisément que possible la position dans l'épaisseur du substrat donneur de la zone de fragilisation obtenue par introduction d'espèces.
Les espèces introduites dans le substrat donneur sont en effet réparties dans l'épaisseur de ce substrat autour d'une profondeur correspondant à un pic de concentration, et suivant une répartition Gaussienne (en première approximation).
La fracture qui suivra se produira (suite à un apport d'énergie sous forme thermique, mécanique, .. ,) à proximité de cette profondeur correspondant au pic de concentration des espèces introduites - cette profondeur définissant un maximum de fragilisation du substrat.
Cependant, après la fracture on constate de part et d'autre du plan de fracture (donc sur la partie supérieure de la couche qui a été transférée sur le substrat receveur, ainsi que sur la face exposée de la partie prélevée du substrat donneur) une zone endommagée qui peut s'étendre sur plusieurs dizaines d'Angstrom,
Ces zones endommagées devront être traitées spécifiquement (par exemple par polissage et/ ou traitement thermique), sur la tranche multicouche finale ou sur le reliquat du substrat donneur en vue de son recyclage.
Et ii serait intéressant de supprimer - ou à tout le moins de minimiser - de tels traitements.
US 6, 756,286 décrit des méthodes visant à minimiser l'épaisseur de la zone endommagée mentionnée ci-dessus, en favorisant la localisation des espèces implantées autour de zones prédéfinies du substrat donneur (on peut désigner ces zones par le terme d' « inclusions »),
Ce document enseigne ainsi notamment de :
• constituer une zone d'inclusion dans un substrat en déposant sur celui-ci une couche de silicium fortement dopée en Bore,
• recouvrir ensuite cette couche par le dépôt d'une couche contenant la couche à transférer,
• implanter avec de l'hydrogène le substrat donneur ainsi constitué, les paramètres de ladite implantation étant définis pour qu'un maximum d'hydrogène soit implanté au niveau de la couche d'inclusion formée par la couche dopée en Bore Par affinité chimique, l'hydrogène implanté se localisera préférentieliement dans cette couche.
Une telle technique permet de réduire sensiblement la dispersion de l'hydrogène implantée dans l'épaisseur du substrat donneur, et on observe après un traitement thermique de fracture que les zones endommagées sur la surface de la tranche multicouche créée et sur le substrat donneur résiduel issu de la fracture sont sensiblement moins importantes qu'avec une implantation classique.
Un objet de la présente invention est de fournir une nouvelle solution, simple et performante, qui permette de réduire l'épaisseur de la zone endommagée suite à une fracture pratiquée au niveau d'une zone de fragilisation qui a été créée par introduction d'espèces dans un substrat donneur
Le document WO2004/008514 décrit un procédé de formation d'une zone de fragilisation a l'intérieur d'un substrat donneur monocristallin par diffusion d'hydrogène. Ce procédé vise à former la zone de fragilisation plus rapidement qu'avec les procédés de formation d'une zone de fragilisation par diffusion qui préexistaient (cf page 5 lignes 1 à 4 de WO2005/004514)
Le document US2002/0187619 décrit un procédé pour le piégeage de contaminants métalliques (cf. page 1 paragraphe [001 OJ de US2002/0187619). Ce procédé comprend une étape de formation d'une zone de fragilisation par implantation d'espèce (hydrogène) dans le substrat donneur, à une première profondeur îl comprend en outre la formation d"une couche de piégeage à une deuxième profondeur
Comme on le verra, les procédés enseignés par les deux documents ne divulguent ni ne suggèrent les caractéristiques que l'invention propose pour atteindre l'objet mentionné ci-dessus.
Par ailleurs, comme on va le voir l'invention vise également à permettre des progrès dans le domaine du collage de deux couches.
Problématique liée au collage
Les techniques de transfert de couche comprennent une étape de collage lors de laquelle les surfaces de deux couches sont mises en contact intime.
Dans toutes les techniques de transfert de couche, la qualité du collage (caractérisée en particulier par l'énergie avec laquelle les deux substrats coflés sont liés l'un à l'autre) aura un impact direct sur la qualité final de la tranche multicouche obtenue.
Ainsi, la planéité des substrats à coller, la présence sur leurs surfaces à coller de particules ou de contaminants, le degré d'hydrophilie de ces surfaces conditionne directement l'énergie avec laquelle les deux substrats seront liés ensembles après mise en contact intime.
On a généralement observé qu'une couche intermédiaire (appelée couche de collage) suffisamment épaisse (épaisseur typiquement supérieure à 500 Angstrom) placée entre deux substrats monocristallins à coller facilitait le collage et limitait l'apparition des défauts (tels que des cloques) à l'interface de mise en contact,
On pourra se rapporter à l'article « Wafer direct bonding: tailoring adhésion between brittle materials » de Andréas Plossl, Gertrud Krauter, Materials Science and Engineering, #25, Nos, 1-2, 10 March 1999 pour plus de détail sur cette étape de collage.
Dans le cas de la fabrication de SeOI, la couche d'isolant qui est formée sur l'un au moins des deux substrats et qui formera l'isolant enterré de la tranche multicouche finale permet également de faciliter et de limiter les défauts de collage, Cette couche d'isolant est ainsi susceptible de constituer elle-même une « couche de collage ».
Mais iî existe des situations dans lesquelles on souhaite obtenir une tranche multicouche qui ne comporte pas de couche d'isolant enterrée. Et de manière plus générale, on peut souhaiter éviter de recourir à une couche intermédiaire de collage (dont on notera que l'adjonction correspond en tout état de cause à une étape additionnelle de procédé).
Dans ce type de situation, on souhaite pouvoir transférer directement la couche du substrat donneur sur le substrat receveur, sans couche intermédiaire (qu'elle soit isolante ou non).
C'est le cas par exemple lorsque l'on veut optimiser la conduction thermique entre la couche transférée (dans laquelle des composants microélectroniques seront formés) et îe substrat receveur afin d'évacuer un maximum de chaleur généré par les composants lors de leur utilisation.
C'est également le cas lorsque l'on souhaite obtenir au final une tranche dans laquelle la couche transférée et le substrat receveur ont des propriétés distinctes sans que l'on souhaite pour autant les isoler électriquement.
On connaît par exemple les tranches formées d'une couche de Si monocristallin associée via une interface électriquement conductrice à un substrat support de SiC polycristallin. Ces tranches ont été développées afin d'offrir une alternative bon marché aux substrats de SiC monocristallin, et ce pour différents diamètres de tranches.
Pour réaliser de telles tranches, un collage direct de la couche de Si sur le substrat receveur est souvent souhaitable.
Il pourrait également être désirable de combiner une couche transférée de silicium directement sur un substrat de silicium, le substrat et la couche ayant des orientations cristallines différentes afin d'optimiser les performances des transistors qui pourraient être formés respectivement dans ces deux éléments de la tranche multicouche ainsi constituée.
On pourra à cet égard se référer à la publication « Mobility Amsotropy of électron in inversion layers on oxidized silicon surfaces », Physical Review, Vol 4, N6, september 1971 pour ce qui concerne les différences de caractéristiques électriques du silicium selon son orientation cristalline,
On peut également envisager de réaliser des tranches multicouches comprenant une fine couche de silicium ou de Germanium ou encore de Silicium Germanium contraint élastiquement en tension ou en compression, directement sur un substrat en silicium massif.
Les exemples détaillés ci-dessus peuvent impliquer le collage direct (c'est à dire sans couche intermédiaire) de deux substrats ayant des orientations -- ou plus généralement des caractéristiques - cristallines différentes Or un te! collage peut se révéler problématique, car les structures cristallines des deux substrats à coller tendraient après collage à s'influencer mutuellement, et une région dont Ia structure cristalline serait perturbée serait créée entre les deux substrats.
En effet, le collage direct de deux substrats présentant des caractéristiques cristaliines différentes (par exemple des mailles cristallines différentes de sorte que les réseaux cristallins des deux substrats ne peuvent être alignés) est à l'origine de défauts cristallins qui peuvent se propager dans l'un des substrats, ou dans les deux substrats.
Dans le cadre du transfert d'une couche mince d'un substrat donneur vers un substrat receveur pour l'obtention d'une tranche multicouche, ces défauts, et particulièrement quand ils se propagent dans l'épaisseur de la couche mince, peuvent rendrent la tranche multicouche obtenue non utilisable pour la formation de composants microélectroniques
On notera par ailleurs concernant le collage de deux substrats qu'il existe deux grandes familles de collage.
Le collage dit « hydrophile » implique avant le collage lui-même des opérations de nettoyage qui sont susceptibles de favoriser l'oxydation des surfaces à coller (nettoyage avec des solutions de type SC1. SC2, , .),
Le collage dit « hydrophobe » implique quant à lui par exemple un nettoyage avec une solution du type HF,
Ces types de collage peuvent certes être mis en œuvre pour réaliser des collages directs tels que mentionnes ci-dessus
Mais ces types de collages sont relativement lourds à mettre en œuvre, et peuvent en outre générer des défauts qui devront ensuite être traités spécifiquement.
En effet, lorsqu'une technique de collage hydrophile ou hydrophobe est utilisée, certaines espèces - par exemple des molécules d'hydrogène (H2) et/ou des molécules d'eau (H2O) et/ou d'autres contaminants - se forment à l'interface de mise en contact pendant le traitement thermique de fracture qui, dans le cadre d'une méthode de type Smart Cut™, se fait à une température de l'ordre de 5000C alors que ces espèces disparaissent à une température de l'ordre de 9000C,
La présence de ces espèces (H2 et/ou H?O et/ou autres contaminants) à l'interface de mise en contact induit la formation de défauts de type « manque » (ou « voîd » selon la terminologie anglo-saxonne) ou « cloques » (ou « biister » selon la terminologie anglo-saxonne) à l'interface de mise en contact entre la couche transférée et le substrat receveur,
II est donc nécessaire d'effectuer un traitement spécifique de ces défauts.
Il apparaît ainsi qu'il existe un besoin pour permettre de réaliser le collage direct de substrats (notamment des substrats ayant des caractéristiques, par exemple cristallines, différentes).
La réalisation de tels collages serait ainsi avantageuse dans le cadre de la mise en œuvre de techniques de transfert de couche, notamment les techniques avec fracture au niveau d'une zone de fragilisation qui ont été mentionnées ci-dessus.
Un objet de l'invention est de permettre de réaliser de tels collages, de manière simple et efficace.
Afin d'atteindre les objets qui ont été mentionnées ci-dessus, l'invention propose un procédé de transfert de couche mince d'un substrat donneur vers un substrat receveur, ledit procédé comprenant la création d'une zone de fragilisation dans le substrat donneur pour délimiter dans ledit substrat donneur une couche à transférer, ledit substrat donneur présentant une structure cristalline ordonnée, procédé caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à .
• Perturber (a structure cristalline d'une région de surface du substrat donneur, afin de créer dans l'épaisseur dudit substrat donneur une région superficielle perturbée, et définir ainsi une interface de perturbation entre ladite région perturbée et la région sous-jacente du substrat donneur dont la structure cristalline est conservée. • Soumettre ledit substrat donneur à un recuit de recristallisation en vue de provoquer : y une recristallisation au moins partielle de ladite région perturbée, à partir de la structure cristalline de ladite région sous-jacente du substrat donneur,
> et la création d'une zone de défauts cristallins dans le plan de ladite interface de perturbation,
• Introduire une ou plusieurs espèces dans l'épaisseur du substrat donneur pour y créer ladite zone de fragilisation, les paramètres de l'introduction d'espèces étant ajustés pour introduire un maximum d'espèces au niveau de ladite zone de défauts cristallins.
Des aspects préférés, mais non ϋmrtatîfs de ce procédé sont les suivants :
• ladite recristallisation partielle permet d'ordonner le réseau cristallin du substrat donneur dans une région recristallisée s'étendant entre ladite zone de défauts cristallins et la surface du substrat donneur.
• ladite perturbation de la structure cristalline d'une région de surface du substrat donneur consiste à rendre cette région amorphe,
• ladite introduction d'espèces est réalisée par implantation d'espèces,
• lesdites espèces comprennent au moins deux espèces de sortes différentes,
• les paramètres dudit recuit de recristallisation sont contrôlés de manière à recristalliser uniquement une partie désirée de l'épaisseur du substrat donneur située à proximité de ladite interface de perturbation, et à conserver une région superficielle dudit substrat donneur dont la structure cristalline est perturbée,
• le procédé comprend une étape de collage dudît substrat donneur avec ledit substrat receveur, puis une étape de fracture du substrat donneur au niveau de la zone de fragilisation, • les paramètres dudit recuit de recristallîsation sont contrôlés de manière à conserver dans le substrat donneur une région superficielle amorphe en vue de faciliter ledit collage,
• ledit collage est un collage direct, ne faisant intervenir entre le substrat donneur et le substrat receveur aucune couche intermédiaire de collage,
• le procédé comprend une étape de traitement du substrat donneur et/ou du substrat receveur en vue d'améliorer le collage entre le substrat donneur et le substrat receveur,
• le procédé comprend une étape de perturbation de Sa structure cristalline d'une région de surface du substrat receveur, afin de créer- dans l'épaisseur dudit substrat receveur une région superficielle perturbée :
• la perturbation de la structure cristalline d'une région de surface du substrat receveur consiste à rendre cette région amorphe. D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront mieux à fa lecture de la description suivante de formes de réalisation de l'invention et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels :
. la figure 1 représente schématiquemeni des étapes selon un mode de réalisation possible du procédé selon l'invention,
. la figure 2 représente schématiquement l'évolution de la structure d'un substrat donneur après différentes étapes du mode de réalisation illustré à la figure 1.
Aspect général - contrôle de la zone de fragilisation
Selon une caractéristique générale, et en référence aux figures 1 et 2, le procédé selon l'invention est comme on Ta dit un procédé de transfert de couche mince d'un substrat donneur vers un substrat receveur, ledit procédé comprenant la création d'une zone de fragilisation dans le substrat donneur pour délimiter dans ledit substrat donneur une couche à transférer, ledit substrat donneur présentant une structure cristalline ordonnée.
Dans le cas de l'invention, le procédé comprend plus précisément les étapes consistant à :
• Perturber la structure cristalline d'une région de surface du substrat donneur (étape 10 du mode de réalisation illustré à la figure 1 ), afin de créer dans l'épaisseur dudit substrat donneur une région superficielle perturbée, de manière à définir une interface de perturbation entre ladite région perturbée et la région sous-jacente du substrat donneur dont la structure cristalline est conservée,
• Soumettre ledit substrat donneur à un recuit de recrîstallîsation (étape 20 du mode de réalisation illustré à la figure 1 ) en vue de provoquer r- une recristallisation au moins partielle de ladite région perturbée à partir de la structure cristalline de ladite région sous-jacente du substrat donneur, r- et la création d'une zone de défauts cristallins dans Ie plan de ladite interface de perturbation,
• Introduire une ou plusieurs espèces dans l'épaisseur du substrat donneur pour y créer ladite zone de fragilisation (étape 30 du mode de réalisation illustré à la figure 1 ), les paramètres de l'introduction d'espèces étant ajustés pour introduire un maximum d'espèces au niveau de ladite zone de défauts cristallins.
La perturbation de la structure cristalline d'une région de surface du substrat donneur peut notamment être réalisée par une implantation dans le substrat donneur d'espèces lourdes - par exemple des espèces telles que Si, Ge.
Cette « perturbation » peut notamment correspondre à une amorphisatîon de la région du substrat donneur qui est traversée par une telle implantation d'espèces lourdes,
Les paramètres d'une telle implantation d'espèces lourdes (en particulier l'énergie et les doses d'implantation) sont définies pour contrôler la profondeur d'implantation de ces espèces lourdes, qui vont définir dans l'épaisseur du substrat donneur une région superficielle perturbée.
Cette région perturbée correspond ainsi typiquement à une région superficielle amorphe du substrat donneur, alors que le reste du substrat donneur conserve la structure d'origine de ce substrat, qui était ordonnée.
Le substrat donneur est en effet par exemple un substrat 100 en matériau monocristallin.
Et la création d'une région superficielle perturbée 110 définit ainsi une interface de perturbation 120. entre ladite région superficielle perturbée 110 et la région sous-jacente 130 du substrat qui conserve sa structure cristalline
Et Ia profondeur de cette interface de perturbation 120 est définie par les paramètres de l'implantation d'espèces lourdes - qui sont eux- mêmes comme on l'a dit contrôlés, de sorte que la profondeur de l'interface de perturbation 120 mentionnée ci-dessus est elle-même contrôlée.
On définira ainsi les paramètres de l'implantation d'espèces lourdes - et plus généralement de la perturbation - pour que la profondeur de l'interface de perturbation 120 corresponde à la profondeur souhaitée dans le substrat donneur pour la zone de fragilisation.
Cette profondeur souhaitée est typiquement égale, ou légèrement supérieure, à l'épaisseur désirée pour la couche mince que l'on désire transférer du substrat donneur sur le substrat receveur
La recrîstallisation - qu'elle soit partielle ou totale - permet de réordonner le réseau cristallin du substrat donneur dans une région recristallisée, comprise dans la région superficielle perturbée.
Cette région recristallisée s'étend entre ladite interface de perturbation 120 et la surface 140 du substrat donneur.
En effet, la recristallisation -- qui est obtenue par un recuit dit de recristallisation - est réalisée sur la base de I' « empreinte » de la structure cristalline la plus proche de Ia région à recristalliser. Et cette structure cristalline la plus proche est celle de la région sous-jacente 130 du substrat receveur, dont la structure n'a pas été altérée par le traitement de perturbation.
En fonction des paramètres du recuit de recristallisation (en particulier en fonction du budget thermique qu'il apporte à la tranche), la recristallisation gagnera une épaisseur plus ou moins importante de la région dont la structure a été perturbée,
Et il est ainsi possible de contrôler les paramètres de ce recuit de recristallisation pour recristalliser tout ou partie de la région perturbée
On peut ainsi obtenir soit un substrat donneur 150 dont la région perturbée a été totalement recristallisée, soit un substrat donneur 160 dont seulement une partie 170 de la région perturbée est recristallisée.
On verra que ce contrôle de la recristallisation peut être exploité avantageusement dans la perspective du collage du substrat donneur avec le substrat receveur
Le recuit de recristallisation provoque ainsi une recristallisation d'une région du substrat donneur qui s'étend à partir de l'interface de perturbation vers la surface de ce substrat, et dont l'épaisseur est contrôlée.
Ce recuit de recristallisation provoque également un deuxième effet, qui est avantageusement exploité dans le cadre de l'invention.
Ce recuit provoque en effet la création d'une zone de défauts cristallins 180 (de types dislocations) dans le plan de ladite interface de perturbation 120. Cette zone s'étend selon une profondeur constante dans l'épaisseur du substrat donneur, selon le plan de l'interface de perturbation 120.
Ce deuxième effet est obtenu que les paramètres du recuit de recristalîîsation provoquent une recristallisation partielle, ou totale, de la région perturbée.
L'invention peut être mise en œuvre avec profit dans le cadre général d'une méthode de type Srnart~GutI M,
On peut ainsi créer la zone de fragilisation par implantation d'une ou plusieurs espèces. Au contraire des espèces utilisées pour perturber la structure cristalline du substrat donneur, les espèces utilisées pour une telle implantation de fragilisation sont des espèces légères telles que H ou He.
Une telle implantation de fragilisation est réalisée de manière avantageuse dans le cadre de l'invention
En effet, dans le cas de l'invention on a préalablement à cette implantation de fragilisation constitué dans l'épaisseur du substrat donneur une zone de défauts cristallins 180, à l'issue du recuit de recristallisation
Et les défauts cristallins de cette zone 180 constituent des pièges pour les espèces légères qui seront implantées dans le substrat donneur en vue d'y créer sa zone de fragilisation.
Cet effet de pîégeage se traduit en pratique par deux effets avantageux :
• Premièrement, et comme l'illustre la figure 2, dans le cas 190as 190b de la présente invention, les espèces légères implantées sont plus concentrées autour de leur pic de concentration (en fonction de ia profondeur dans le substrat donneur) que dans le cas 200 d'une implantation d'espèces légères dans un substrat donneur non préalablement traité,
• En outre, la profondeur dans le substrat donneur de l'implantation maximum des espèces légères - et donc la profondeur de la zone de fragilisation - est finement contrôlée, car elle est définie par la profondeur de la zone de défauts cristallins.
Ces deux effets concourent à une meilleure maîtrise de la création de la zone de fragilisation - - et en particulier ils permettent de ne produire après fracture au niveau de cette zone que des régions superficielles faiblement perturbées.
Ainsi, le procédé selon ['invention permet de réduire sensiblement ia dispersion des espèces légères introduites dans l'épaisseur du substrat donneur pour la formation de fa zone de fragilisation
II en résulte qu'avec le procédé selon l'invention, la répartition gaussienne 195a. 195b des espèces introduites dans l'épaisseur du substrat donneur présente un écart type sensiblement inférieur à l'écart type de la répartition gaussienne 205 des espèces légères obtenue avec les procédés de l'art antérieur.
Ceci est illustré de manière schématique sur la figure 2,
En réduisant sensiblement la dispersion des espèces introduites dans l'épaisseur du substrat donneur, le procédé selon l'invention permet de limiter l'épaisseur de la zone de fragilisation
II est a noter que cette réduction de dispersion peut être favorisée par un traitement thermique, comme par exemple lors du traitement thermique postérieur de fragilisation.
On notera que les documents WO2005/004514 et US2002/0187619 ne concernent pas les problèmes visés par l'invention, et ne suggèrent aucunement ses caractéristiques particulières (ni même de manière beaucoup plus générale le problème de dispersion des espèces légères introduites dans l'épaisseur du substrat donneur)
Pour former la zone de fragilisation, les procédés décrits dans les documents WO2005/004514 et US2002/0187619 ne comprennent pas d'étape de perturbation d'une région du substrat donneur, ni d'étape de recuit de recrîstallîsation d'une partie ou de la totalité de la région perturbée.
Dans WO2005/004514. la zone de fragilisation est formée en plaçant le substrat donneur dans un plasma d'hydrogène, en effectuant un premier traitement thermique à une température ne dépassant pas 250 0C, puis en effectuant un deuxième traitement thermique à des températures plus élevées ne dépassant pas 400 0C. A la fin du deuxième traitement thermique, la zone de fragilisation est formée (cf. page 11 lignes 5 à 9 de WO2005/004514) Aucune recπstallisation qui serait liée à la formation de la zone de fragilisation n'est effectuée.
Dans US2002/0187619 la zone de fragilisation est formée à une première profondeur par implantation d'hydrogène (cf. page 1 paragraphe [0011] de US2002/0187619), et une zone de pîégeage est constituée à une deuxième profondeur pour capter des contaminants métalliques. Revenant à l'invention, on précise que les espèces légères peuvent également être introduites dans le substrat donneur par une technique autre que l'implantation (diffusion plasma ou autre). En tout état de cause l'effet de piégeage mentionné ci-dessus, et ses avantages associés, demeurent.
Exploitation de l'invention dans la perspective d'un collage
On a dit qu'on pouvait dans le cadre de l'invention contrôler les paramètres du recuit de recristallisation pour sélectivement recristalliser tout ou partie de la région superficielle du substrat donneur dont la structure cristalline a été perturbée. il est ainsi possible de contrôler ces paramètres pour que la recristallisation ne soit que partielle, et permette de conserver en surface du substrat donneur une région dont la structure cristalline est perturbée (typiquement : amorphe).
Une région située sous cette région perturbée s'étend jusqu'à l'interface de perturbation, et sa structure a quant à elle été réordonnée par le recuit de recristallisation.
Une telle région perturbée de surface peut être exploitée avantageusement dans la perspective d'un collage,
Une telle région permet en effet un collage direct du substrat donneur avec un autre substrat - par exemple le substrat receveur — sans qu'il soit besoin d'intercaler une couche d'isolant - ou quelque couche de collage que ce soit.
La région superficielle perturbée (dont on rappelle qu'elle est typiquement amorphe) constitue en effet une région du substrat donneur qui remplit elle-même la fonction qui serait remplie par une couche de collage.
La surface de cette région superficielle est en effet dépourvue du relief de surface d'une couche ordonnée telle qu'une couche monocristalline -il est ainsi connu qu'une couche amorphe est apte à remplir une fonction de « couche de collage ». On précise enfin qui! est également possible, en vue de favoriser encore un collage direct du substrat donneur et du substrat receveur, d'amorphiser une région superficielle du substrat receveur avant le collage.
On pourra ainsi coller un substrat donneur et un substrat receveur qui présentent chacun une surface amorphisée.
La présence d'une couche amorphe, en particulier lorsqu'elle est présente sur une surface de chacun des substrats (donneur et receveur), permet de faire disparaître plus rapidement les contaminants piégés à l'interface de mise en contact des substrats par absorption dans les substrats
• EQβ^JIM^deJ[ΕiteïïM[É^M,£ΦM[MlÊceγeur
On va dans cette section apporter un complément à propos d'une possibilité de traitement du substrat receveur - ce traitement pouvant être mis en oeuvre :
• en combinaison avec les éléments exposés ci-dessus et qui concernent le substrat donneur,
• ou indépendamment de ces éléments, dans le cadre d'un procédé de transfert de couche mince d'un substrat donneur vers le substrat receveur.
Un tel traitement du substrat receveur permet en particulier de piéger les défauts qui peuvent être générés lors du collage du substrat receveur avec le substrat donneur.
Un tel traitement du substrat receveur comprend la création d'une zone de défauts cristallins enterrés dans le substrat receveur pour créer une zone de pîégeage de contaminants, ledit substrat receveur présentant une structure cristalline ordonnée, le procédé comprenant les étapes consistant à :
• Perturber la structure cristalline d'une région de surface du substrat receveur, afin de créer dans i'épaisseur dudit substrat receveur une région superficielle perturbée, et définir ainsi une interface de perturbation entre ladite région perturbée et la région sous-jacente du substrat receveur dont la structure cristalline est conservée,
* Soumettre ledit substrat receveur à un recuit de recristallisatïon en vue de provoquer r- une recristallisatïon au moins partielle de ladite région perturbée, à partir de la structure cristalline de ladite région sous-jacente du substrat receveur, y et la création d'une zone de défauts cristallins dans le plan de ladite interface de perturbation (pour le piégeage de défauts cristallins créés lors du collage).
Comme rappelé plus haut, le collage direct d'une couche mince de silicium présentant une première orientation sur un substrat receveur en silicium massif présentant une deuxième orientation cristalline différente de Sa première orientation cristalline - ou plus généralement tous réseaux cπstallins qui ne seraient pas précisément positionnés en regard l'un de l'autre - est à l'origine de défauts cristallins - notamment de type dislocation dite « traversante »,
La création d'une zone de défauts cristallins enterrés dans le substrat receveur (par perturbation, puis recristallisation tel qu'explicité à la page précédente) permet d'éviter la propagation, dans l'épaisseur de la couche mince, des défauts générés lors du collage
En effet, les défauts générés lors du collage sont générés et piégés préférentieilement dans le substrat receveur, au niveau de cette zone de défauts cristallins enterrés.
Exemples particuliers de mise en oeuvre
• Tranche multicouche hybride parβotlage Si-Si Selon un premier exemple particulier de mise en oeuvre de ['invention, on réalise les opérations suivantes * r- Préparation d'un substrat donneur par exemple en Silicium. Ce substrat peut être d'orientation cristalline quelconque ((100), (110), , . ,). Ce substrat peut être oxydé en surface pour préparer les étapes d'implantation mais dans ce cas l'oxyde de surface ainsi créé sera retiré avant collage, afin d'obtenir au final un collage direct Si-Si, r- Amorphisation d'une couche superficielle par implantation dans le substrat donneur. L'épaisseur de la couche amorphisée correspond à l'épaisseur de la couche à transférer,
^ Cette amorphisation peut être obtenue par implantation par exemple de Si avec une énergie suffisante pour définir un pic de concentration d'implantation à proximité de l'épaisseur de la couche à transférer,
• par exemple pour une épaisseur désirée pour la couche à transférer de l'ordre de 0.1 micron à 2 microns, l'énergie d'implantation du Si sera de l'ordre de 50 à 250 keV.
• Plus précisément encore pour une énergie d'implantation de 180 keV, Ia profondeur d'implantation s'étend à environ 0 4 mscrons). s L'implantation d'amorphisation est par ailleurs effectuée avec une dose suffisante pour amorphiser la couche traversée par le Si implanté (dose de l'ordre 1014 à 1018 atomes/cm2 pour du Si implanté dans du silicium),
0- Recuit de recristallisation partiel et de création des défauts cristallins enterrés au niveau de l'interface de perturbation. Ce recuit est typiquement de l'ordre de 4000C à 10000C de 30 mn à 6 heures dans une atmosphère non oxydante. La durée et la température exactes de recuit vont dépendre de l'épaisseur de la région superficielle perturbée et de l'épaisseur perturbée que l'on désire préserver, > Implantation de fragilisation par exemple d'hydrogène à 60 keV à une dose de 5*1016 atomes/cm2 de manière à localiser le pic de concentration d'hydrogène au niveau de la zone de défauts cristallins enterrés,
> Préparation d'un substrat receveur d'orientation cristalline quelconque, préférentiellement différente de celle du substrat donneur, ledit substrat receveur comportant lui-même éventuellement en surface une zone amorphisée pour faciliter encore le collage avec le substrat receveur,
>- Optionnellement, étape de prétraitement (étape 40 du procédé illustré à la figure 1 ) du substrat donneur et/ou du substrat receveur pour améliorer le collage entre le substrat donneur et le substrat receveur, tel qu'un traitement plasma, ou un traitement thermique 35O0C pendant environ 2 heures, ou un traitement de recuit thermique visant à renforcer l'interface de collage tel que décrit dans le document WO2005/004233, ou tout autre traitement connu de l'homme de l'art permettant d'améliorer le collage entre le substrat donneur et le substrat receveur, r Collage du substrat donneur directement sur le substrat receveur par ['intermédiaire de la/des couche(s) amorphe(s) de surface à coller (étape 50 du procédé illustré à la figure 1 ),
> Traitement thermique de fracture (étape 60 du procédé illustré à la figure 1 ) à 40076000C environ pendant 2 à 8 heures pour réaliser la fracture au niveau de la zone de fragilisation, et obtenir une tranche multicouche comprenant le substrat receveur et la couche transférée du substrat donneur. r- Finition de ia tranche multicouche obtenue. Cette finition est limitée à une finition légère car seule une faible épaisseur de la surface de la tranche correspond à une zone endommagée lors de la fracture. Cette finition peut par exemple être réalisée par un recuit rapide (RTA), ou une oxydation sacrificielle, et/ou polissage, Une finition réalisée sous la forme d'un recuit - surtout à haute température (plus de 1Q0Q°C) - pourrait conduire à recristalliser entièrement la (les) région(s) amorphisée(s).
Figure imgf000024_0001
II peut être désiré de recristaliiser Ia totalité de la région superficielle perturbée (typiquement amorphisée).
Dans ce cas, les paramètres du recuit de recristallisation sont définis de manière à conduire à une recπstallisation totale de la couche amorphe.
Dans un tel cas, la zone de défauts cristallins enterrés qui résulte du recuit de recristallisation sera particulièrement bien marquée, car les effets de ce recuit sur la création de ces défauts se feront sentir de manière très marquée.
Le recuit de recristallisation peut par exemple combiner une première étape de recristallisation à moyenne température autour de 6000C pendant environ 4 heures» suivie par un second recuit à plus haute température (autour de 10000C) pendant également 4 heures environ afin de bien développer les dislocations de piègeage enterrées dans le substrat donneur,
II peut être particulièrement intéressant de prévoir dans ce cas d'amorphiser une région de surface du substrat receveur avant son collage avec le substrat donneur, dans le but de faciliter ce collage.
On pourra dans ce cas choisir d'implanter du Germanium dans le substrat donneur, pour y créer la région superficielle perturbée.
Le lecteur appréciera que certaines étapes du procédé peuvent être réalisées dans un ordre différent. Par exemple, dans un mode de réalisation, les étapes relatives à la formation de la zone de fragilisation (étape 10, 20, 30 du mode de réalisation illustré à la figure 1 ) sont réalisées après le collage (étape 50 du procédé illustré à la figure 1 ) du substrat donneur sur ie substrat receveur et avant l'étape 60 de fracture (en référence au mode de réalisation illustré à la figure 1 , les étapes du procédé selon l'invention sont alors réalisées dans l'ordre suivant (40-50-10-20-30- 60),

Claims

REVENDICATIONS
, Procédé de transfert de couche mince d'un substrat donneur vers un substrat receveur, ledit procédé comprenant la création d'une zone de fragilisation dans le substrat donneur pour délimiter dans ledit substrat donneur une couche à transférer, ledit substrat donneur présentant une structure cristalline ordonnée, procédé caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à ;
• Perturber la structure cristalline d'une région de surface du substrat donneur, afin de créer dans l'épaisseur dudit substrat donneur une région superficielle perturbée, et définir ainsi une interface de perturbation entre ladite région perturbée et la région sous-jacente du substrat donneur dont la structure cristalline est conservée.
• Soumettre ledit substrat donneur à un recuit de recristallisation en vue de provoquer :
*- une recristallisation au moins partielle de ladite région perturbée, à partir de la structure cristalline de ladite région sous-jacente du substrat donneur. t- et Sa création d'une zone de défauts cristallins dans le plan de fadite interface de perturbation,
• Introduire une ou plusieurs espèces dans l'épaisseur du substrat donneur pour y créer ladite zone de fragilisation, les paramètres de l'introduction d'espèces étant ajustés pour introduire un maximum d'espèces au niveau de ladite zone de défauts cristallins.
2, Procédé selon fa revendication précédente, caractérisé en ce que ladite recπstallisation partielle permet d'ordonner le réseau cristallin du substrat donneur dans une région recristalfisée s'étendant entre ladite zone de défauts cristallins et la surface du substrat donneur.
3 Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite perturbation de la structure cristalline d'une région de surface du substrat donneur consiste à rendre cette région amorphe.
4 Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite introduction d'espèces est réalisée par implantation d'espèces.
5 Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que îesdifes espèces comprennent au moins deux espèces de sortes différentes.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les paramètres dudit recuit de recristallisation sont contrôlés de manière à recristalliser uniquement une partie désirée de l'épaisseur du substrat donneur située à proximité de ladite interface de perturbation, et à conserver une région superficielle dudît substrat donneur dont la structure cristalline est perturbée
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le procédé comprend une étape de collage dudit substrat donneur avec ledit substrat receveur, puis une étape de fracture du substrat donneur au niveau de la zone de fragilisation,
8. Procédé selon les deux revendications précédentes prises en combinaison, caractérisé en ce que les paramètres dudit recuit de recristallisation sont contrôlés de manière à conserver dans le substrat donneur une région superficielle amorphe en vue de faciliter ledit collage.
9. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit collage est un collage direct, ne faisant intervenir entre le substrat donneur et le substrat receveur aucune couche intermédiaire de collage.
10. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le procédé comprend une étape de traitement du substrat donneur et/ou du substrat receveur en vue d'améliorer le collage entre le substrat donneur et ïe substrat receveur,
11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le procédé comprend une étape de perturbation de la structure cristalline d'une région de surface du substrat receveur, afin de créer dans l'épaisseur dudit substrat receveur une région superficielle perturbée.
12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la perturbation de la structure cristalline d'une région de surface du substrat receveur consiste à rendre cette région amorphe.
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