La présente invention concerne de manière générale le traitement de matériaux semi-conducteurs destinés à des applications en microélectronique et/ou optoélectronique.
Elle concerne notamment un procédé de préparation de surface d'un film mince, d'épaisseur comprise entre 1 nm ou quelques dizaines de nm et 100 nm ou quelques centaines de nm, par exemple 400 nm ou 500 nm.
En particulier, il s'agit d'un film de carbure de silicium monocristallin, en vue d'y réaliser une croissance d'épitaxie.
Ce peut être un film de carbure de silicium reporté sur un autre matériau (silicium, SiC monocristallin ou polycristallin recouvert d'une couche d'oxyde ou autre : oxyde déposé, nitrure....).
L'invention s'applique notamment à des substrats de SiC, par exemple de polytype 4H, qui sont utilisés pour la croissance épitaxiale, en vue de la fabrication de composants électroniques de puissance.
Pour obtenir une épitaxie de bonne qualité il faut une surface de départ exempte de défauts et la plus lisse possible.
On connaît un procédé de report des couches minces, et notamment des couches minces de SiC, dénommé « Smart-Cut » (ou procédé de fracture de substrat) et décrit par exemple dans l'article de
Cette rugosité peut être diminuée jusqu'à environ 1 à 2 nm RMS par l'application de traitements de type oxydation thermique (appelé recuit) et/ou gravure ionique. Cependant, ces techniques ne permettent pas d'obtenir une rugosité finale désirée (0.1 à 0.2 nm RMS).
En effet, l'étape de recuit ne consomme pas suffisamment de matériau pour diminuer significativement la rugosité car l'oxydation thermique du SiC est très lente, surtout sur la face silicium.
Par ailleurs, les polissages CMP (mécano-chimiques) du SiC sont difficiles à mettre en oeuvre car les surfaces polies présentent une réactivité chimique faible, comparativement à des matériaux comme le silicium. De plus, le taux d'enlèvement est très faible, de l'ordre de 10 nm par heure, contre 50nm/mn pour le polissage du silicium.
D'autre part, le SiC présente une dureté mécanique extrêmement élevée et l'utilisation d'abrasifs « diamantés » ou de certains abrasifs connus pour le polissage du silicium peuvent conduire à créer des rayures.
Il est donc difficile d'utiliser un abrasif qui permette un taux d'enlèvement suffisant sans créer de telles rayures et des défauts. Les procédés de polissage de SiC sont de ce fait souvent très longs (plusieurs heures) et les abrasifs à base de particules de diamant ne permettent pas d'obtenir une rugosité inférieure à 1 nm RMS.
Les techniques de polissage du SiC sont pour ces deux raisons très particulières. A ce jour, on connaît peu de procédés de polissage de substrat de SiC.
Le document
La demande
Des techniques autres que le polissage existent pour obtenir une faible rugosité : la plupart d'entre elles sont basées sur le bombardement de la surface par des ions issus d'un plasma (RIE) ou d'un faisceau (par exemple, faisceau d'ions d'amas gazeux), technique décrite dans le document
Il se pose donc le problème de trouver un nouveau procédé de traitement ou de préparation de la surface d'un film, et notamment d'un film de carbure de silicium.
Un autre problème est de trouver un procédé de traitement de films, en particulier de carbure de silicium, permettant d'obtenir une bonne rugosité, et/ou permettant un taux d'enlèvement suffisant sans créer des rayures ou des défauts.
Il se pose aussi un autre problème, qui est de trouver un procédé de traitement de films, en particulier de carbure de silicium, permettant d'obtenir une bonne rugosité, de préférence inférieure à 15 ou 10 Angströms RMS ou à 5 Angströms RMS ou à 1 Angströms RMS, compatible avec une croissance épitaxiale.
L'invention concerne un procédé de préparation de surface d'une tranche de carbure de silicium selon la revendication 1.
La combinaison de ces deux étapes permet de réaliser un état de surface satisfaisant, du carbure de silicium.
L'étape de recuit permet d'obtenir une rugosité inférieure à ou de l'ordre de 20 Å RMS. Elle peut être effectuée à température comprise entre 1100°C et 1300°C, et, par exemple, pendant une durée comprise entre 1,5 h et 2,5 h.
Après l'étape de recuit, une étape de désoxydation de la surface peut être réalisée, par exemple du type mettant en oeuvre un bain chimique tel que de l'acide fluohydrique. Dans le cas d'une gravure ionique, une étape de nettoyage chimique type RCA (SC1, SC2) peut être réalisée après l'étape de recuit.
Le polissage est par exemple effectué avec une silice colloïdale de type SYTON W30, et avec une tête de polissage tournant à une vitesse comprise entre 10 et 100 tours/minute.
Une étape de nettoyage chimique peut être prévue après polissage, par exemple mettant en oeuvre un bain d'acide fluorhydrique.
Enfin, une étape de gravure ionique peut aussi être prévue par exemple avant l'étape de recuit.
Un exemple de réalisation va être donné, qui concerne la face silicium d'un film de SiC. On rappelle que le SiC est un matériau polaire, il comporte donc deux faces constituées d'atomes différents (une face silicium et une face carbone).
Un tel film mince est par exemple obtenu par le procédé de fracture de substrat (ou « Smart-Cut »), tel que décrit dans l'article de A.J. Auberton-Hervé et al. cité ci-dessus.
Est d'abord réalisé un traitement thermique sous atmosphère oxydante de ce film mince, par exemple à température comprise entre 1100°C ou 1150°C et 1300°C et pendant une durée comprise entre 1h et 3 h. Cette étape de recuit sous atmosphère oxydante permet d'obtenir une rugosité de l'ordre de 2 nm RMS. Un exemple de dispositif permettant de réaliser un tel recuit est décrit dans Thermal and Dopant Processes, Chapitre 4, Advanced Semiconductor Fabrication Handbook, ICE, 1998.
Une gravure chimique, par exemple à l'acide fluorhydrique à 10%, permet de désoxyder la surface ainsi traitée.
Puis on procède à un polissage CMP (polissage mécano chimique), par exemple avec un tissu IC1000 (distribué par la société RODEL', compressibilité = 3%) et un abrasif à base de particules de silice colloïdale de type SYTON W30 (ou LuDox) (de pH = 10,2, de viscosité = 2 mPs.sec, de taille moyenne des particules = 125 nm et contenant 30% en poids de SiO2).
Une tête de polissage 10, dans laquelle est insérée un substrat 12 à polir, est représentée sur la
Eventuellement, un nettoyage chimique à l'acide fluorhydrique permet d'éviter la cristallisation de l'abrasif en surface.
Un tel procédé permet d'obtenir une surface dont la rugosité permet une reprise d'homoépitaxie (épitaxie de SiC sur SiC) de bonne qualité et éventuellement aussi une reprise d'hétéroépitaxie (AlN, AlGaN ou GaN sur SiC).
Selon un exemple qui concerne un film mince de SiC de type 4H (obtenu par « Smart-Cut ») :
La durée du polissage est de 15 mn à 30 mn.
La rugosité obtenue après polissage est de l'ordre de 3 Å RMS.
Un nettoyage final est réalisé, à l'eau désionisée et avec un bain de HF à 10%, pendant 10 mn.
Le tableau I ci-dessous résume des résultats obtenus sur des films minces de SiC dans différentes conditions.
Dans ce tableau, la colonne I indique le numéro d'essai, et la colonne II donne la nature du traitement effectué avant polissage CMP. Pour les essais 2 et 3, il s'agit d'une gravure ionique suivi d'un recuit à 1150°C pendant deux heures, pour l'essai n° 5 d'un recuit à 1150°C pendant deux heures, suivi d'une gravure ionique.
Pour les essais 4, 6 et 8 à 10, seul un recuit à 1150°C, pendant deux heures est réalisé.
La colonne III indique les conditions de réalisation du polissage CMP : durée, vitesse de rotation, pression appliquée.
Dans la colonne IV sont indiquées la nature du tissu (ou « pad ») et du mélange abrasif.
La colonne V donne les mesures de rugosité, sur une surface de 5 x 5 µm2.
Des remarques sont éventuellement consignées dans la colonne VI.
Ce tableau montre bien que la combinaison d'une étape de recuit, puis d'un polissage, permet d'améliorer sensiblement la rugosité du film initial, à moins de 2 nm RMS (essais 3-5 et 7 - 11), 1,5 (essais 3-5, 8 -11) ou 1 nm RMS (essais 3, 8 -11), ou de 0,5 nm RMS (essais 8-11), ou de 0,1 nm RMS (essai 11).
L'invention permet donc d'obtenir un film de carbure de silicium, de rugosité inférieure à 2 nm RMS ou à 1 nm RMS ou à 0,5 nm RMS ou à 0,1 nm RMS.
L'utilisation, comme dans l'essai n°3, d'une gravure ionique préalable améliore également ce résultat.
Les meilleurs résultats paraissent obtenus avec un tissu de type IC1000 et avec une solution abrasive de type Syton W30.
Le tableau II donne des conditions plus détaillées concernant les essais n° 10 et 11.
L'essai n° 10 est réalisé sur une plaque dénommée « S107 », tandis que l'essai n° 11 est réalisé sur la plaque « S126 ».
Le tableau II donne des rugosités comparées des plaques S126 et S107.
Deux types de mesures ont été effectuées : la mesure avec un balayage sur une certaine surface (colonne S, surface indiquée en µm2), et des mesures effectuées ponctuellement (colonne B, surfaces de mesure indiquées en µm x µm).
Dans les trois dernières colonnes sont successivement indiquées, en Angströms: la rugosité en valeur quadratique moyenne (RMS), la rugosité moyenne (Ra), et la rugosité maximale (Rmax).
Les valeurs rapportées dans le tableau I, pour les essais 10 et 11 correspondent respectivement à celles indiquées dans les troisième et septième lignes du tableau II (colonne RMS).
Les résultats de ces tableaux montrent que l'invention permet d'obtenir une surface prête à l'épitaxie (surface dite « epiready ») sur des films minces de SiC, par une technique rapide, qui met en oeuvre des étapes et des machines standards en microélectronique. Plus la surface du SiC est lisse et non rugueuse, plus l'épitaxie sera de bonne qualité, permettant d'augmenter sensiblement le rendement des composants électroniques réalisés sur le film mince.
Ce procédé de préparation de surface de l'invention, comprenant une étape de recuit puis de polissage, permet donc d'obtenir une surface de bonne qualité, non rugueuse et applanie.
L'exemple d'un substrat SiC de polytype 4 H a été donné, mais l'invention peut aussi s'appliquer à un substrat SiC de polytype 6H ou 3C.
Cette liste de références citées par le demandeur vise uniquement à aider le lecteur et ne fait pas partie du document de brevet européen. Même si le plus grand soin a été accordé à sa conception, des erreurs ou des omissions ne peuvent être exclues et l'OEB décline toute responsabilité à cet égard.