Étude de la réalisation de matériau silicium sur isolant (SOI) à partir du collage par adhésion moléculaire silicium sur oxyde (procédé Smart-Cut®)

Study of SOI material elaboration involving silicon on oxide wafer bonding (Smart-Cut® process)

• Auteur / Autrice : Christophe Maleville
• Direction : Sorin Cristoloveanu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Microélectronique
• Date : Soutenance en 1997
• Etablissement(s) : Grenoble INPG
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : SOITEC (France)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Robert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : André-Jacques Auberton-Hervé, Bernard Aspar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Louis Robert, Yannis Stoemenos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Technologie silicium sur isolant

Mots clés libres

Matériau SOI

Collage par adhésion moléculaire

Wafer bonding

Implantation hydrogène

Smart-Cut®

Unibond®

Ftir-mir

Nettoyage hydrophile

Résumé

Le matériau SOI présente de nombreux avantages pour les composants basse consommation et basse tension, ce qui le positionne comme matériau de base pour les applications microélectroniques futures. Le nouveau procédé Smart-Cut®, permettant la fabrication de matériau SOI, combine deux technologies de base : l'implantation d'hydrogène et le collage par adhésion moléculaire, assurant ainsi la possibilité de production de fort volume à faible coût. Cette thèse traite de l'étape de collage par adhésion moléculaire, du recuit haute température de la structure SOI et des caractéristiques du matériau fini. Les mécanismes de formation des défauts macroscopiques lors du transfert du film SOI ont été identifiés ; il a alors été possible de développer une séquence de nettoyage avant collage optimisée, évitant la formation de ces défauts. La mise en œuvre d'un outil spécifique permettant une analyse par réflexions internes multiples, en spectroscopie infrarouge des structures collées, a permis d'observer l'évolution chimique de l'interface de collage dans le cas de collages silicium/silicium, silicium/oxyde thermique et silicium/oxyde thermique implanté. La corrélation de ces résultats microscopiques avec une caractérisation macroscopique de l'énergie du collage a mené à la compréhension des mécanismes de collage. Les spécificités du recuit haute température et de l'oxydation de la structure SOI ont été appréhendées. Cette étape de recuit a alors été optimisée. Le matériau SOI-Unibond® alors obtenu est compatible avec les besoins de l'industrie ULSI

The SOI material allows many advantages in the field of low power and low voltage applications and then appears as the base substrate for future microelectronics devices. The new Smart-Cut® process for SOI material elaboration combines two basic technologies: hydrogen implantation and wafer bonding, which allows low cost and high volume production. This thesis deals with the cleaning step before bonding optimization, the high temperature annealing of the SOI structure and the SOI material properties. Formation mechanism of macroscopic defects occurring during splitting have been explained. Then, a cleaning sequence leading to macroscopic defect free structure could have been developed. A specific tool inducing multiple internal reflections for infrared spectroscopy analysis has been involved. Then, it has been possible to study the chemical evolution of the bonding interface in case of silicon to silicon bonding, silicon to thermal oxide bonding and silicon to implanted oxide bonding. The correlation between these microscopic results and the macroscopic characterization of the bonding energy has led to the understanding of wafer bonding mechanisms. The specificities of the high temperature annealing and of thermal oxidation of the SOI structure has been discussed. Then, the annealing step has been optimized and the SOI material obtained can match ULSI industry requirements