FR2977073A1 - Procede de transfert d'une couche de semi-conducteur, et substrat comprenant une structure de confinement - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de transfert comprenant: - fournir un substrat (3) donneur comprenant o une couche (2) utile semi-conducteur, et o une structure (5) de confinement, comprenant une couche (4) de confinement, constituée d'un matériau semi-conducteur, la couche de confinement présentant une composition chimique différente de la couche utile, et deux couches (6, 7) de protection en matériau semi-conducteur distinct du matériau de la couche de confinement, les couches de protection étant disposées en contact et de part et d'autre de la couche (4) de confinement, - coller le substrat donneur avec un substrat (10) receveur dans lequel des ions ont été introduits, les soumettre à une montée en température, au cours de laquelle la couche de confinement attire les ions en vue de les concentrer, et - détacher le substrat donneur par fracture au niveau de la couche de confinement, les couches de protection étant aptes à confiner dans la structure de confinement les défauts apparaissant suite à la fracture.

Description

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne un procédé de fabrication d'un substrat semi-conducteur et un substrat semi-conducteur.

ETAT DE L'ART Les substrats de silicium sur isolant, connus de l'homme du métier sous l'acronyme SOI (silicium sur isolant, ou en anglais, silicon on insulator), sont largement utilisés dans l'industrie microélectronique. Un procédé connu de l'état de la technique pour transférer une couche de silicium d'un substrat donneur vers un substrat receveur consiste à former une zone de fragilisation dans le substrat donneur, à coller le substrat donneur et le substrat receveur, puis à détacher le substrat donneur du substrat receveur par fracture au niveau de la zone de fragilisation, notamment via un traitement thermique adapté.

Toutefois, la fracture induit des défauts qui peuvent être plus ou moins étendus dans le substrat receveur et/ou le substrat donneur. Par exemple, on obtient dans le cas d'un substrat post-fracture implanté par des ions hydrogène, une rugosité de plusieurs dizaines d'angstrêms (50-80 angstrêms en valeur RMS).

Par conséquent, lorsqu'on souhaite fabriquer des substrats dans lesquels une couche de silicium ultrafine est requise (de l'ordre de 12 nm), par exemple des substrats de type FD-SOI (selon l'acronyme anglo-saxon « Fully Depleted Silicon on Insulator »), il est nécessaire de transférer une épaisseur de l'ordre de 200 à 250 nm de silicium, dans la mesure où une forte épaisseur est consommée dans les traitements permettant de lisser la surface. L'invention propose donc de pallier, au moins en partie, aux inconvénients de l'état de la technique.

PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention propose un procédé de transfert d'une couche de semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : - fournir un substrat donneur comprenant une couche utile constituée d'un matériau semi-conducteur, et une structure de confinement, comprenant une couche de confinement, constituée d'un matériau semi-conducteur, la couche de confinement présentant une composition chimique différente de la couche utile, et deux couches de protection en matériau semi-conducteur distinct du matériau de la couche de confinement, les couches de protection étant disposées en contact et de part et d'autre de la couche de confinement, - fournir un substrat receveur, - introduire des ions dans le substrat donneur, - coller le substrat donneur et le substrat receveur, - soumettre le substrat donneur et le substrat receveur à un traitement thermique comprenant une élévation de la température, au cours duquel la couche de confinement attire les ions en vue de les concentrer dans ladite couche de confinement, et - détacher le substrat donneur du substrat receveur par fracture au niveau de ladite couche de confinement, pour transférer au moins une partie de la couche utile vers le substrat receveur, les couches de protection étant aptes à confiner dans la structure de confinement les défauts apparaissant suite à la fracture au niveau de la couche de confinement. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - lors du traitement thermique, les couches de protection attirent également les ions vers la couche de confinement ; - une couche de protection, en contact de la couche utile, est constituée d'un matériau permettant une gravure chimique sélective de la couche de protection vis-à-vis de la couche utile, ledit procédé comprenant une étape consistant à graver sélectivement la couche de protection, après le détachement du substrat donneur du substrat receveur par fracture ; - le substrat donneur comprend une couche support en contact de la structure de confinement, et la couche de protection en contact de la couche support est constituée d'un matériau permettant une gravure chimique sélective de la couche de protection vis-à-vis de la couche support, ledit procédé comprenant une étape consistant à graver sélectivement la couche de protection présente sur le substrat donneur après fracture ; - l'introduction des ions dans le substrat donneur est effectuée par immersion du substrat donneur dans un plasma comprenant lesdits ions ; - l'introduction des ions dans le substrat donneur est effectuée par implantation desdits ions ; - la couche de confinement est constituée de silicium dopé avec du bore, et les ions sont introduits dans le substrat donneur avec une dose comprise entre 5.1015 et 4.1016 atomes/cm2 ; - le procédé comprend l'étape consistant à transférer une couche utile d'épaisseur comprise entre 10 et 100 nm, du substrat donneur vers le substrat receveur ; - le substrat donneur comprend une pluralité de couches utiles constituées d'un matériau semi-conducteur, et une pluralité de structures de confinement, ledit procédé comprenant l'étape consistant à transférer successivement au moins une partie de chacune des couches utiles vers un substrat receveur, conformément aux étapes du procédé précédemment décrit ; - les couches de protection sont constituées de Si(1_,)Ge,, et la couche de confinement est constituée de Si(1_y)Gey, la différence entre x et y étant supérieure ou égale à 3°/O, ou SiGe dopé avec du bore, ou silicium dopé avec du bore ; - les couches de protection sont constituées de SiGe et la couche de confinement est constituée de SiC dopé avec du bore ; - les couches de protection sont constituées de SiGe et la couche de confinement est constituée de Ge dopé avec du bore ; - les couches de protection sont constituées de InGaN et la couche de confinement est constituée d'un alliage de GaN et de Si ; - les couches de protection sont constituées de AIGaN et la couche de confinement est constituée de InGaN non dopé ou dopé avec Si ou Mg. L'invention concerne également un substrat semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend : - une couche utile constituée d'un matériau semi-conducteur, et - une structure de confinement, comprenant une couche de confinement, constituée d'un matériau semi-conducteur, la couche de confinement présentant une composition chimique différente de la couche utile, et deux couches de protection en matériau semi-conducteur distinct du matériau de la couche de confinement, les couches de protection étant disposées en contact et de part et d'autre de la couche de confinement, la couche de confinement étant adaptée pour attirer des ions introduits dans le substrat vers la couche de confinement, lors d'un traitement thermique d'élévation de la température dudit substrat destiné à réaliser une fracture au niveau de la couche de confinement, et les couches de protection étant aptes à confiner dans la structure de confinement les défauts apparaissant suite à la fracture au niveau de la couche de confinement. Le substrat est avantageusement complété par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison 25 techniquement possible : - les couches de protection sont également adaptées pour attirer les ions vers la couche de confinement lors du traitement thermique du substrat ; - une couche de protection, en contact de la couche utile, est 30 constituée d'un matériau permettant une gravure chimique sélective de la couche de protection vis-à-vis de la couche utile ; - une couche support en contact de la structure de confinement, et la couche de protection en contact de la couche support est constituée d'un matériau permettant une gravure chimique sélective de la couche de protection vis-à-vis de la couche support ;: - les couches de protection sont constituées de Si(,_,)Ge,, et la couche de confinement est constituée de Si(II)Gey, la différence entre x et y étant supérieure ou égale à 3°/O, ou SiGe dopé avec du bore, ou silicium dopé avec du bore ; - les couches de protection sont constituées de SiGe et la couche de confinement est constituée de SiC dopé avec du bore ; - les couches de protection sont constituées de SiGe et la couche de confinement est constituée de Ge dopé avec du bore ; - les couches de protection sont constituées de InGaN et la couche de confinement est constituée d'un alliage de GaN et de Si ; - les couches de protection sont constituées de AIGaN et la couche de confinement est constituée de InGaN non dopé ou dopé avec Si ou Mg. L'invention présente de nombreux avantages. L'invention permet de transférer des couches utiles avec une rugosité 20 réduite. De plus, l'invention permet de transférer des couches fines d'un substrat donneur vers un substrat receveur. En outre, l'invention permet de faciliter le traitement de finition du substrat donneur et/ou du substrat receveur. 25 Enfin, l'invention s'applique au transfert d'une grande variété de couches utiles, notamment de couches utiles contraintes.

PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention 30 ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la Figure 1 est une représentation d'un mode de réalisation du procédé de transfert selon l'invention ; - la Figure 2 est une représentation de défauts générés dans l'art antérieur suite à une fracture de détachement ; - la Figure 3 est une représentation de la concentration d'ions dans un substrat donneur, avant et après traitement thermique ; - la Figure 4 est une représentation de l'introduction d'ions dans un substrat donneur par diffusion plasma ; - la Figure 5 est une représentation d'un procédé d'introduction d'ions dans un substrat donneur par diffusion plasma ; - la Figure 6 est une représentation d'un substrat adapté pour un transfert multiple de couches utiles.

DESCRIPTION DETAILLEE On a représenté en Figure 1 un mode de réalisation d'un procédé de transfert selon l'invention. Le procédé comprend une étape E1 consistant à fournir un substrat 3 donneur comprenant une couche 2 utile constituée d'un matériau semi-conducteur, et une structure 5 de confinement.

La couche 2 utile est par exemple, mais non limitativement, en silicium ou en germanium. La couche 2 utile est en général choisie en fonction des applications désirées. La structure 5 de confinement comprend une couche 4 de confinement, constituée d'un matériau semi-conducteur.

La couche 4 de confinement présente une composition chimique différente de la couche 2 utile. On entend par composition chimique différente le fait que : les couches 2, 4 sont constituées de matériaux différents, ou du même matériau mais avec des proportions en éléments chimiques différentes (par exemple SiGe avec des proportions en germanium différentes), les couches 2, 4 sont dopées avec des espèces dopantes différentes ; La structure 5 de confinement comprend en outre deux couches 6, 7 de protection en matériau semi-conducteur distinct du matériau de la couche 4 de confinement. Les couches 6, 7 de protection sont disposées en contact et de part et d'autre de la couche 4 de confinement. Les couches de protection présentent un matériau semi-conducteur distinct du matériau de la couche 4 de confinement (matériaux différents, ou proportions en éléments chimiques différentes, ou dopage différent en termes d'espèces dopantes). Les couches 6, 7 de protection peuvent présenter plusieurs fonctions, détaillées par la suite. Les couches 6, 7 de protection peuvent présenter la même composition chimique entre elles, ou non.

La structure 5 de confinement est en général fabriquée par croissance par épitaxie. L'épitaxie permet de contrôler précisément l'épaisseur de la couche 4 de confinement, et permet d'obtenir des épaisseurs fines pour celles-ci. La structure 5 de confinement peut être placée à divers endroits du 20 substrat 3 donneur, par exemple sous la couche 2 utile, ou dans la couche 2 utile, ou dans une autre couche du substrat 3 donneur. Le procédé comprend une étape E2 consistant à fournir un substrat 10 receveur. Le substrat 10 receveur comprend avantageusement une couche 14 d'oxyde. Ceci est par exemple utile lorsqu'on souhaite fabriquer 25 un substrat final de type SOI (silicium sur isolant). Alternativement, ou en complément, on peut utiliser un substrat 3 donneur comprenant une couche d'oxyde. Cette couche d'oxyde peut avoir été déposée sur la couche 2 utile du substrat 3 donneur. Le procédé comprend une étape E3 consistant à introduire des ions 30 15 dans le substrat 3 donneur. Il s'agit avantageusement d'ions hydrogène, ou d'ions hélium, ou d'une combinaison de ces ions. Dans le cas où la couche de confinement est constituée de silicium dopé avec du bore, il est avantageux d'introduire des ions hydrogène. Le procédé comprend alors une étape E4 consistant à coller le substrat 3 donneur et le substrat 10 receveur.

Le collage est en général effectué par mise en contact des surfaces libres des substrats 3, 10, ce qui permet d'assurer un collage par adhésion moléculaire. Les surfaces libres des substrats 3, 10 sont en général préalablement nettoyées pour favoriser le collage. Le procédé comprend une étape E5 consistant à soumettre le substrat 3 donneur et le substrat 10 receveur à un traitement thermique comprenant une élévation de la température, au cours duquel la couche 4 de confinement attirent les ions 15 pour les concentrer dans ladite couche 4 de confinement. Des températures typiques de traitement thermique sont comprises 15 entre 200 °C et 700 °C. Ainsi, lors du traitement thermique du substrat donneur et du substrat receveur, la couche de confinement attire les ions pour les concentrer dans ladite couche de confinement. Ceci est illustré en Figure 3, qui illustre le profil de concentration des 20 ions dans le substrat donneur en fonction de la profondeur, avant (courbe 17) et après (courbe 18) le traitement thermique. Le pic de la courbe 18 illustre la migration préférentielle des ions 15 vers la couche 4 de confinement. Une autre fonction de ce traitement thermique peut être de renforcer 25 l'énergie de collage entre le substrat donneur et le substrat receveur. Le traitement thermique est mené de sorte que des effets différents se produisent : l'énergie de collage entre le substrat donneur et le substrat receveur est augmentée, 30 - les ions se concentrent dans la couche de confinement jusqu'à atteindre une concentration critique, - ces ions créent des cavités, qui vont coalescer, - la pression dans ces cavités augment jusqu'à provoquer une fracture dans la couche de confinement, ce qui permet de séparer le substrat donneur du substrat receveur. Ces quatre effets peuvent être obtenus lors d'un recuit thermique 5 unique, ou lors de recuits thermiques individuels séparés. L'étape suivant le traitement thermique est une étape E6 consistant à détacher le substrat 3 donneur du substrat 10 receveur par fracture au niveau de ladite couche de confinement 4, pour transférer au moins une partie de la couche 2 utile vers le substrat 10 receveur. 10 A l'issue de l'étape E6, le substrat receveur et le substrat donneur peuvent subir un traitement de finition (nettoyage, polissage, gravure) pour supprimer les reliquats de couches indésirables (étapes E7/E8). Les couches 6, 7 de protection sont aptes à confiner dans la structure 5 de confinement les défauts apparaissant suite à la fracture au 15 niveau de la couche 4 de confinement. Ces couches ont donc avantageusement pour fonction de jouer le rôle de bouclier autour de la couche 4 de confinement, de par leur présence autour de la couche 4 de confinement. On évite ainsi d'endommager d'une part les couches situées de part et d'autre de la structure 5 de confinement, 20 et en particulier la couche 2 utile. En effet, la fracture obtenue dans la couche 4 de confinement suite au traitement thermique est susceptible d'entraîner la propagation de défauts vers la couche 2 utile. Ceci est illustré en Figure 2, dans le cas où aucune couche de protection n'est utilisée. La couche 2 utile est ici en Si et 25 la couche 4 de confinement en SiGe. Comme on peut le constater, le profil de la fracture 16 présente des défauts laissant des traces indésirables dans la couche 2 utile. Ceci est évité dans l'invention grâce aux couches de protection 6, 7. La couche 6 de protection, qui participe également au confinement 30 des défauts issus de la fracture dans la structure de confinement, permet en outre d'éviter la propagation de défauts vers une autre couche utile, comme celle illustrée en Figure 6 (couche 2' utile, située sous la couche 6" de protection), dans le cas où on l'a empilé plusieurs structures de confinements et plusieurs couches utiles, notamment en vue de transferts multiples de couches utiles. Ainsi, les couches de protection permettent de confiner, dans la 5 structure de confinement, les défauts apparaissant suite à la fracture au niveau de la couche 4 de confinement. Le demandeur a constaté que l'utilisation d'une couche 4 de confinement en silicium dopé avec du bore permet un confinement optimal des défauts dans la structure 5 de confinement. 10 Ainsi, l'invention propose donc un substrat semi-conducteur comprenant : - la couche 2 utile constituée d'un matériau semi-conducteur, et - la structure 5 de confinement, comprenant o la couche 4 de confinement, constituée d'un matériau semi- 15 conducteur, la couche 4 de confinement présentant une composition chimique différente de la couche 2 utile, et o deux couches 6, 7 de protection en matériau semi-conducteur distinct du matériau de la couche 4 de confinement, les couches de protection étant disposées en contact et de part et 20 d'autre de la couche 4 de confinement, o la couche 4 de confinement étant adaptée pour attirer des ions introduits dans le substrat vers la couche 4 de confinement, lors d'un traitement thermique d'élévation de la température dudit substrat destiné à réaliser une fracture au niveau de la 25 couche 4 de confinement, et o les couches 6, 7 de protection étant aptes à confiner dans la structure 5 de confinement les défauts apparaissant suite à la fracture au niveau de la couche 4 de confinement. Divers matériaux peuvent être utilisés pour la couche 4 de 30 confinement et les couches 6, 7 de protection. Des exemples de réalisation incluent notamment, mais non limitativement, les cas suivants: - matériau des couches de protection: Si(,_x)Gex (x compris entre 0 et 1), matériau de la couche de confinement : Si(II)Gey (la différence entre x et y est d'au moins 3°/O, préférablement supérieure à 5°/O, voire 10°/O), ou SiGe dopé (par exemple avec du bore), ou silicium dopé par exemple avec du bore. Un cas particulier est le cas où les couches de protection sont en SiGe et la couche de confinement en silicium dopé avec du bore. Par ailleurs, on peut citer le cas où les couches de protection sont constituées de SiGe et la couche de confinement est constituée de Ge dopé avec du bore. - matériau des couches de protection: Silicium, matériau de la couche de confinement : Si(II)Gey, ou SiGe dopé (par exemple avec du bore) ou silicium dopé (par exemple avec du bore); - matériau des couches de protection: germanium, matériau de la couche de confinement : SiGe dopé (par exemple avec du bore), ou silicium dopé (par exemple avec du bore), ou germanium dopé (par exemple avec du bore), ou SiGe ; - matériau des couches de protection: SiGe, matériau de la couche de confinement : SiC dopé (par exemple avec du bore) ; - matériau des couches de protection : AIGaN, matériau de la couche de confinement : InGaN dopé (par exemple avec Si, Mg), ou non dopé ; - matériau des couches de protection : AIGaN ou InGaN, matériau de la couche de confinement: GaN dopé (par exemple Si, Mg), ou non dopé ; - matériau des couches de protection : AIGaAs, matériau de la couche de confinement : InGaAs dopé (par exemple Si, Zn, S, Sn) ou non dopé ; - matériau des couches de protection : InGaN, et matériau de la couche de confinement : alliage de GaN et de Si. Dans ces exemples de réalisation, la couche 2 utile est par exemple, mais non Iimitativement en silicium, ou en germanium.

La couche 4 de confinement peut être dans certains cas dopée également avec de l'antimoine ou de l'arsenic. L'attraction des ions par la couche 4 de confinement est notamment liée à un effet chimique d'attraction entre les espèces dopantes de la couche 4 de confinement et les ions 15 introduits dans le substrat. Il s'agit donc d'une attraction par affinité chimique. Un autre facteur est lié à la différence de contrainte (valeur du paramètre de maille) entre la couche 4 de confinement et la couche 2 utile, qui résulte du fait que la couche 4 de confinement et la couche 2 utile sont constituées de matériaux différents, ou de matériaux présentant des proportions chimiques différentes. Il peut s'agir aussi bien d'un cas où le paramètre de maille de la couche de confinement est plus élevé, ou plus faible (différence de contrainte en tension ou en compression). Par exemple une couche 4 de confinement en SiGe peut être utilisée 15 en association avec une couche 2 utile en silicium. Par exemple, si la couche de confinement est constituée de silicium dopé avec du bore, et que les ions introduits dans le substrat donneur sont des ions hydrogène, les interactions chimiques entre le bore et l'hydrogène vont notamment permettre d'attirer les ions hydrogène dans la couche de 20 confinement. Ainsi, lors du traitement thermique du substrat donneur et du substrat receveur, la couche de confinement attire les ions pour les concentrer dans ladite couche de confinement. Les couches de protection 6, 7 peuvent également présenter une 25 autre fonction. De manière générale, les couches 6, 7 de protection peuvent remplir une unique fonction parmi celles qui sont décrites, ou une pluralité de ces fonctions. Ceci dépend notamment de la composition chimique de ces couches de protection. Dans un mode de réalisation, lors du traitement thermique, les 30 couches 6, 7 de protection attirent également les ions 15 vers la couche 4 de confinement. Dans ce cas, il existe un effet conjoint d'attraction des ions de la part de la couche 4 de confinement et des couches 6, 7 de protection, qui migrent préférentiellement vers la couche 4 de confinement lors du traitement thermique. On peut citer par exemple le cas de couches 6, 7 de protection en SiGe dopé ou non, qui permettent de participer à l'attraction d'ions 15 hydrogène vers la couche 4 de confinement.

Dans un mode de réalisation, une couche 7 de protection, en contact de la couche 2 utile, est constituée d'un matériau permettant une gravure chimique sélective de la couche 7 de protection vis-à-vis de la couche 2 utile. Il peut s'agir d'une gravure chimique sélective ou d'une gravure chimique sélective accompagnée d'une action mécanique (ex : CMP).

Dans ce cas, le matériau de la couche 7 de protection est choisi en fonction du matériau de la couche 2 utile pour permettre une gravure chimique sélective. Un choix judicieux du matériau de la couche de protection permet d'optimiser la sélectivité de la gravure chimique.

Par exemple, dans le cas où la couche 2 utile est en silicium, on peut choisir une couche 7 de protection en SiGe, avec une proportion en Ge supérieure à environ 10°/O, ce qui permet d'atteindre une sélectivité supérieure à environ 10. En augmentant la proportion de Ge, on augmente la sélectivité (par exemple, sélectivité d'environ 140 avec une proportion en Ge de 40°/O). Le procédé comprend alors une étape consistant à graver sélectivement (étape E7) la couche 7 de protection, après le détachement du substrat 3 donneur du substrat 10 receveur par fracture. Préalablement, on supprime le reliquat de couche de confinement présent sur le substrat receveur, par exemple par gravure. En général, la couche 7 de protection est une couche sacrificielle lors de la gravure sélective. La gravure sélective s'arrête donc à la zone située entre la couche 7 de protection et la couche 2 utile, après élimination de la couche 7.

A titre d'exemple, la couche 7 de protection est en SiGe et la couche 2 utile est en silicium.

Alternativement, il est possible de retirer la couche 7 de protection par une gravure non sélective. La couche 7 de protection est dans ce cas également sacrificielle. Alternativement, ou en complément, le substrat 3 donneur comprend une couche 13 support en contact de la structure 5 de confinement, et la couche 6 de protection en contact de la couche 13 support est constituée d'un matériau permettant une gravure chimique sélective de la couche 6 de protection vis-à-vis de la couche 13 support. Il peut s'agir d'une gravure chimique sélective ou d'une gravure chimique sélective accompagnée d'une action mécanique (ex : CMP). Dans ce cas, le procédé comprend une étape E8 consistant à graver sélectivement la couche 6 de protection présente sur le substrat 3 donneur après fracture. En général, la couche 6 de protection est une couche sacrificielle lors 15 de la gravure sélective. La gravure sélective s'arrête donc à la zone située entre la couche 6 de protection et la couche support 13. A titre d'exemple, la couche support 13 est en silicium (par exemple un substrat de silicium massif) et la couche 6 de protection est en SiGe. 20 Dans un autre exemple, la couche support 13 est en germanium, éventuellement associé à du saphir. Les couches 6, 7 de protection sont en général choisies pour ne pas empêcher ou réduire l'attraction des ions par la couche 4 de confinement, afin de ne pas perturber le confinement. 25 Dans le cas où les couches 6, 7 de protection sont en SiGe, afin de permettre une gravure sélective comme exposé plus ci-dessus, l'épaisseur de ces couches 6, 7 est, par exemple, entre quelques nanomètres à plusieurs dizaines de nanomètres. La proportion en Ge est avantageusement comprise entre 5°/O et 50°/O. 30 Avantageusement, on utilise une couche de protection dont le matériau présente une concentration en éléments qui varie en fonction de la profondeur dans la couche 6, 7.

Ainsi, la concentration (par exemple de Ge) peut être supérieure dans une partie de la couche de protection (6 ou 7) où la gravure sélective s'arrêtera, et inférieure dans le reste de la couche. Ceci permet d'éviter la relaxation de la couche, tout en rendant la couche de protection plus épaisse. L'introduction des ions 15 dans le substrat 3 donneur peut s'effectuer selon diverses techniques. Avantageusement, l'introduction des ions 15 dans le substrat 3 donneur est effectuée par diffusion des ions 15 dans le substrat 3 donneur suite à l'immersion du substrat 3 donneur dans un plasma comprenant lesdits ions. On précise que cette introduction d'ions 15 dans le substrat 3 donneur peut être mise en oeuvre par des techniques autres que la diffusion, par exemple par implantation.

Dans le cas de l'implantation, les ions sont accélérés en direction de la surface du substrat donneur. La profondeur moyenne de pénétration des atomes est en général comprise entre 100Â et 1 pm - cette profondeur étant déterminable en fonction de l'espèce implantée et de l'énergie d'implantation. Dans le cas de l'implantation, le dopage présente un pic d'implantation dans le substrat donneur. Les ions implantés présentent une énergie sélectionnée pour leur permettre de traverser la matière du substrat donneur. Le pic d'implantation dépend de l'énergie des ions. Un avantage de l'implantation est que le dose d'implantation requise est faible (par exemple de l'ordre de 2.1016 atomes/cm2 pour de 25 l'hydrogène). Dans le cas d'une diffusion d'ions par immersion dans un plasma, le substrat 3 donneur plongé dans le plasma est soumis à des impulsions électriques. Les ions positifs présents dans le plasma sont alors accélérés vers la surface du substrat où ils sont introduits. Comme le plasma entoure 30 le substrat, toute la surface reçoit des ions en même temps.

Cette diffusion d'ions dans un plasma 19, comprenant les ions 15, est schématisée en Figure 4, dans laquelle le substrat 3 donneur reçoit des impulsions électriques de la part de la source électrique 20. Un autre avantage de cette introduction d'ions est sa capacité à être 5 appliquée à l'échelle industrielle, ainsi que le temps de mise en oeuvre réduit. Un autre avantage de cette introduction d'ions est que la zone de diffusion des ions dans le substrat donneur est très concentrée, de l'ordre de quelques nanomètres d'épaisseur selon la direction normale aux faces 10 principales du substrat (par exemple entre 10nm et 200nm). L'introduction d'ions par diffusion plasma permet ainsi d'obtenir de bons résultats dans l'étape de transfert, dans la mesure où cette technique permet notamment d'enrichir le substrat donneur 1 en ions à faible énergie (quelques centaines d'eV à plusieurs dizaines de KeV), et à forte dose 15 (quelques 1015atomes/cm2 à quelques 10"atomes/cm2) dans une région de faible profondeur (de quelques dizaines de nanomètres à environ 200 nanomètres), ce qui n'est pas toujours accessible par une technique d'implantation. Ceci est avantageux pour transférer ultérieurement des couches fines de la couche 2 utile à transférer. De plus, ceci est avantageux 20 pour réduire les défauts et rugosités présents dans la couche 2 utile transférée. En effet, même lorsque la région est accessible par implantation, la forte énergie des ions dans le procédé d'implantation peut entraîner l'introduction de défauts cristallins dans la couche 2 utile à transférer. 25 On a illustré en Figure 5 le profil de concentration des ions 15 dans le substrat 3 donneur en fonction de la profondeur dans le substrat 3 donneur, avant le traitement thermique, dans le cas d'une diffusion (courbe 26), et dans le cas d'une implantation ionique (courbe 27). Par ailleurs, dans le cas d'un procédé d'immersion plasma du 30 substrat 3 donneur à basse tension (quelques centaines de volts, voire quelques keV), avec diffusion des espèces implantées (chauffage du support), on introduit moins de défauts que dans le cas d'une implantation ionique standard. Cette approche peut comporter une hydrogénation (introduction d'hydrogène en surface) et une étape de diffusion. Un avantage du procédé de transfert mettant en oeuvre la constitution d'une structure de confinement comprenant une couche de confinement est que la fracture est très localisée, et se produit quasiment uniquement voire uniquement au niveau de la couche de confinement. Typiquement, les rugosités AFM post-fracture de la couche utile obtenues sans structure de confinement sont de l'ordre de 3 à 6 nm, alors que la structure de confinement permet de réduire cette rugosité à des valeurs de l'ordre de 0.5 à 1 nm. Ainsi, en localisant la fracture dans la couche de confinement, et en confinant dans la structure de confinement les défauts issus de la fracture, on réduit la rugosité post-fracture. En effet, dans le cas d'un transfert classique par implantation d'ions et fracture au niveau d'une zone de fragilisation sans l'utilisation d'une structure de confinement, il est courant que des défauts apparaissent dans le substrat après fracture. Ceci est notamment du à la présence étendue des ions dans le substrat, ce qui induit une fracture peu localisée, et donc une rugosité plus élevée.

La couche 2 utile de semi-conducteur transférée en accord avec ce procédé présente donc une rugosité réduite. Par exemple, dans le cas d'un substrat 3 donneur comprenant une couche 2 utile à transférer et une structure 5 de confinement comprenant une couche 4 de confinement en silicium dopé avec du bore, on peut obtenir une rugosité de la couche de silicium transférée de 5 Angstréms en valeur RMS. De plus, il est souvent nécessaire de transférer des couches utiles, éventuellement contraintes, présentant une fine épaisseur (par exemple comprise entre 20nm et 500nm). Selon un aspect avantageux de l'invention, l'étape E6 consiste à 30 transférer une couche 2 utile d'épaisseur comprise entre 10 et 100 nm, du substrat 3 donneur vers le substrat 10 receveur.

Avantageusement, on utilise une couche de confinement présentant une épaisseur comprise entre 2 et 20nm. Plus la couche de confinement est fine, plus la fracture sera localisée. Par exemple, une couche de confinement d'épaisseur d'environ 4nm permettra de confiner la fracture dans cette zone. Au vu de la faible épaisseur de la couche de confinement, celle-ci ne perturbe pas ou très peu le paramètre de maille du substrat donneur. Ceci entre en jeu notamment dans le cas où la couche utile à transférer est une couche contrainte que l'on a fait croître.

Dans un mode de réalisation, la couche 4 de confinement est constituée de silicium dopé avec du bore, et les ions sont introduits dans le substrat 3 donneur avec une dose comprise entre 5.1015 et 4.1016 atomes/cm2. Ainsi, l'utilisation des ions bore permet de réduire la dose d'implantation d'ions requise.

Une application de l'invention comprend la fabrication de FD-SOI. Dans l'art antérieur, une couche utile d'environ 250 nm devait être transférée pour fabriquer de tels dispositifs, tandis que le procédé selon l'invention ne requiert qu'une épaisseur d'environ 20 nm. Dans un mode de réalisation, on utilise un substrat donneur 20 présentant une pluralité de couches utiles et de structures de confinement empilées, pour des transferts multiples de couches utiles. Le substrat donneur comprend une pluralité de couches utiles, constituées d'un matériau semi-conducteur (éventuellement de compositions chimiques différentes), et une pluralité de structures de 25 confinement. Le procédé comprend l'étape consistant à transférer successivement au moins une partie de chacune des couches utiles vers un substrat receveur, conformément aux étapes du procédé précédemment décrites. En général, le substrat receveur est différent pour chaque couche utile à transférer. 30 Ainsi, comme illustré en Figure 6, la première couche 2"' utile est transférée conformément au procédé selon l'invention vers un premier substrat receveur. Puis, le substrat 3 donneur multicouches est nettoyé et poli pour supprimer les reliquats de couches restantes. Par la suite, la deuxième couche 2" utile est transférée conformément au procédé selon l'invention vers un deuxième substrat receveur. Enfin, on répète le procédé de transfert avec la troisième couche 2 utile.

On a illustré un exemple d'un tel substrat 3 donneur en Figure 6, comprenant : - une couche utile 2 associée à une structure 5 de confinement composée d'une couche de confinement 4 et de couches de protection 6 et 7 ; - une couche utile 2' associée à une structure 5' de confinement composée d'une couche de confinement 4' et de couches de protection 6' et 7' ; - une couche utile 2" associée à une structure 5" de confinement composée d'une couche de confinement 4" et de couches de protection 6" et 7". Comme on le comprend, l'invention présente de nombreux avantages. L'invention permet notamment de transférer des couches utiles avec une rugosité réduite.

De plus, l'invention permet de transférer des couches fines d'un substrat donneur vers un substrat receveur. En outre, l'invention permet de faciliter le traitement de finition du substrat donneur et/ou du substrat receveur, notamment grâce à la réduction de la rugosité de la couche utile, et à l'utilisation de couches de protection permettant une gravure chimique sélective par rapport aux couches adjacentes. Enfin, l'invention s'applique au transfert de nombreuses couches utiles différentes, notamment des couches utiles contraintes.

Claims (15)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de transfert d'une couche de semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : - fournir (E1) un substrat (3) donneur comprenant o une couche (2) utile constituée d'un matériau semi-conducteur, et o une structure (5) de confinement, comprenant une couche (4) de confinement, constituée d'un matériau semi-conducteur, la couche (4) de confinement présentant une composition chimique différente de la couche (2) utile, et deux couches (6, 7) de protection en matériau semi-conducteur distinct du matériau de la couche (4) de confinement, les couches de protection étant disposées en contact et de part et d'autre de la couche (4) de confinement, - fournir (E2) un substrat (10) receveur, - introduire (E3) des ions (15) dans le substrat (3) donneur, - coller (E4) le substrat (3) donneur et le substrat (10) receveur, - soumettre (E5) le substrat (3) donneur et le substrat (10) receveur à un traitement thermique comprenant une élévation de la température, au cours duquel la couche (4) de confinement attire les ions (15) en vue de les concentrer dans ladite couche (4) de confinement, et - détacher (E6) le substrat (3) donneur du substrat (10) receveur par fracture au niveau de ladite couche (4) de confinement, pour transférer au moins une partie de la couche (2) utile vers le substrat (10) receveur, les couches (6, 7) de protection étant aptes à confiner dans la structure (5) de confinement les défauts apparaissant suite à la fracture au niveau de la couche (4) de confinement.30
2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, lors du traitement thermique, les couches (6, 7) de protection attirent également les ions (15) vers la couche (4) de confinement.
3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel : une couche (7) de protection, en contact de la couche (2) utile, est constituée d'un matériau permettant une gravure chimique sélective de la couche (7) de protection vis-à-vis de la couche (2) utile, ledit procédé comprenant une étape consistant à graver sélectivement la couche (7) de protection, après le détachement du substrat (3) donneur du substrat (10) receveur par fracture.
4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel - le substrat (3) donneur comprend une couche (13) support en contact de la structure (5) de confinement, et - la couche (6) de protection en contact de la couche (13) support est constituée d'un matériau permettant une gravure chimique sélective de la couche (6) de protection vis-à-vis de la couche (13) support, - ledit procédé comprenant une étape (E8) consistant à graver sélectivement la couche (6) de protection présente sur le substrat (3) donneur après fracture.
5. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'introduction 25 des ions (15) dans le substrat (3) donneur est effectuée par immersion du substrat (3) donneur dans un plasma (19) comprenant lesdits ions (15).
6. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'introduction des ions (15) dans le substrat (3) donneur est effectuée par implantation 30 desdits ions (15).
7. 7. Procédé selon l'une des revendications 1, et 3 à 6, dans lequel : la couche (4) de confinement est constituée de silicium dopé avec du bore, et - les ions (15) sont introduits dans le substrat (3) donneur avec une dose comprise entre 5.10i5 et 4.1016 atomes/cm2.
8. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, consistant à transférer une couche (2) utile d'épaisseur comprise entre 10 et 100 nm, du substrat (3) donneur vers le substrat (10) receveur. 10
9. 9. Procédé de transfert dans lequel le substrat donneur comprend une pluralité de couches (2, 2', 2"') utiles constituées d'un matériau semi-conducteur, et une pluralité de structures (5, 5', 5") de confinement, ledit procédé comprenant l'étape consistant à transférer 15 successivement au moins une partie de chacune des couches utiles vers un substrat receveur, conformément aux étapes du procédé selon l'une des revendications 1 à 8.
10. 10. Procédé selon la revendication 1, dans lequel : 20 - les couches (6, 7) de protection sont constituées de Si(1_x)Gex, et la couche (4) de confinement est constituée de Si(1_y)Gey, la différence entre x et y étant supérieure ou égale à 3°/O, ou SiGe dopé avec du bore, ou silicium dopé avec du bore ; - les couches (6, 7) de protection sont constituées de SiGe et la 25 couche (4) de confinement est constituée de SiC dopé avec du bore ; - les couches (6, 7) de protection sont constituées de SiGe et la couche (4) de confinement est constituée de Ge dopé avec du bore ; - les couches (6, 7) de protection sont constituées de InGaN et la couche (4) de confinement est constituée d'un alliage de GaN et de 30 Si ;5 - les couches (6, 7) de protection sont constituées de AIGaN et la couche (4) de confinement est constituée de InGaN non dopé ou dopé avec Si ou Mg.
11. 11. Substrat semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend : - une couche (2) utile constituée d'un matériau semi-conducteur, et - une structure (5) de confinement, comprenant o une couche (4) de confinement, constituée d'un matériau semi-conducteur, la couche (4) de confinement présentant une composition chimique différente de la couche (2) utile, et o deux couches (6, 7) de protection en matériau semi-conducteur distinct du matériau de la couche (4) de confinement, les couches de protection étant disposées en contact et de part et d'autre de la couche (4) de confinement, 0 la couche (4) de confinement étant adaptée pour attirer des ions introduits dans le substrat vers la couche (4) de confinement, lors d'un traitement thermique d'élévation de la température dudit substrat destiné à réaliser une fracture au niveau de la couche (4) de confinement, et 0 les couches (6, 7) de protection étant aptes à confiner dans la structure (5) de confinement les défauts apparaissant suite à la fracture au niveau de la couche (4) de confinement.
12. 12. Substrat selon la revendication 11, dans lequel les couches (6, 7) de 25 protection sont également adaptées pour attirer les ions (15) vers la couche (4) de confinement lors du traitement thermique du substrat.
13. 13. Substrat selon l'une des revendications 11 ou 12, dans lequel une couche (7) de protection, en contact de la couche (2) utile, est constituée 30 d'un matériau permettant une gravure chimique sélective de la couche (7) de protection vis-à-vis de la couche (2) utile.
14. 14. Substrat selon l'une des revendications 11 à 13, comprenant une couche (13) support en contact de la structure (5) de confinement, et dans lequel la couche (6) de protection en contact de la couche (13) support est constituée d'un matériau permettant une gravure chimique sélective de la couche (6) de protection vis-à-vis de la couche (13) support.
15. 15. Substrat selon la revendication 11, dans lequel : - les couches (6, 7) de protection sont constituées de Si(,_,)Ge,, et la couche (4) de confinement est constituée de Si(II)Gey, la différence 10 entre x et y étant supérieure ou égale à 3°/O, ou SiGe dopé avec du bore, ou silicium dopé avec du bore ; - les couches (6, 7) de protection sont constituées de SiGe et la couche (4) de confinement est constituée de SiC dopé avec du bore ; - les couches (6, 7) de protection sont constituées de SiGe et la 15 couche (4) de confinement est constituée de Ge dopé avec du bore ; - les couches (6, 7) de protection sont constituées de InGaN et la couche (4) de confinement est constituée d'un alliage de GaN et de Si , - les couches (6, 7) de protection sont constituées de AIGaN et la 20 couche (4) de confinement est constituée de InGaN non dopé ou dopé avec Si ou Mg.