Etude du piégeage de l’hydrogène implanté et application au transfert de couches fines de silicium

Study of the trapping of implanted hydrogen and application to the transfer of silicon thin layers

• Auteur / Autrice : Aurélie Royal
• Direction : Alain Claverie, Frédéric Mazen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 27/01/2017
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (Toulouse ; 1988-....) - Observatoire des micro et nanotechnologies (Grenoble)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrogène

Silicium -- Couches minces

Microélectronique

Mots clés libres

Silicium

Couches enterrées (Si:B, SiGe)

Implantation

Hydrogène

Diffusion

Piégeage

SOI

Transfert de couches

Silicon

Buried layers (Si:B, SiGe)

Implantation

Hydrogen

Diffusion

Trapping

SOI

Layer transfer

Résumé

Le développement de la microélectronique « ultime » requiert la fabrication de structures de type SOI (Silicon-On-Insulator) dotées d’une couche superficielle de Si d’épaisseur très fine (de l’ordre de 10 nm) et uniforme (<+/- 0,5 nm). Une des voies pour relever ce challenge serait d’intégrer, dans la technologie Smart CutTM, des substrats donneurs modifiés permettant de « forcer » l’hydrogène à précipiter, en cours de recuit, dans un plan parallèle à, et proche de, la surface. Dans ce travail, nous étudions les effets de l’implantation ionique d’ions hydrogène et d’un recuit thermique dans des structures de silicium contenant de fines couches « enterrées » de Si:B ou de SiGe. Nous avons tout d’abord identifié les conditions d’implantation et de recuit permettant l’obtention de cloques sur des surfaces libres et donc devant permettre de fracturer la couche en présence d’un raidisseur mécanique, ce que nous avons testé. La couche Si:B permet d’obtenir la fracture pour une dose d’hydrogène implanté plus faible et pour un budget thermique plus faible qu’avec une couche de SiGe. De plus, la rugosité de ces couches après transfert est nettement plus faible qu’obtenue avec le procédé de référence. Nous avons observé (par MET et SIMS) que l’hydrogène se piège dans la couche Si:B, et aux interfaces entre le SiGe et le Si, ce qui suggère que les mécanismes mis en jeu dans ce piégeage sont différents. Nous avons ensuite étudié la redistribution de l’hydrogène après implantation et recuit (par SIMS) ainsi que l’évolution des platelets (par MET) au cours d’un recuit isotherme dans la structure Si/Si:B/Si. En cours de recuit, les platelets formés en dehors de la couche Si:B se dissolvent au profit de ceux, plus grands, formés dans la couche dopée, qui finalement forment des microfissures. Cette croissance est à la base du transfert de l’hydrogène implanté vers la couche piégeante. Cette diffusion est néanmoins lente et tout l’hydrogène implanté n’est finalement pas « pompé » par cette couche piégeante. Un modèle numérique simple a permis de comprendre puis de reproduire qualitativement le phénomène de redistribution observé par SIMS. Ce travail a donc montré que les couches de Si:B sont très prometteuses pour la fabrication de SOI ultrafins. Ce procédé a été optimisé en milieu industriel et une rugosité du film transféré de 2 à 8 Å a été obtenue, ce qui est 10 fois plus faible que la rugosité obtenue avec le procédé Smart CutTM classique.

The development of the advanced microelectronics requires the manufacturing of SOI (Silicon-On-Insulator) wafers with a very thin top Si layer (around 10 nm) and drastic uniformity specification (<+/- 0,5 nm on 300 mm wafers). An interesting way to raise this challenge would be to integrate, in the Smart CutTM technology, modified donors substrates in order to “force” hydrogen to precipitate, during the annealing, in a plane parallel and close to the surface. In this work, we study the potential benefits of the incorporation of thin buried layers of boron doped silicon (Si:B) or SiGe alloy in the donor substrate. We show that Si:B is particularly interesting: fracture is obtained for a lower implanted hydrogen dose and for a lower thermal budget than when using a SiGe buried layer. Moreover, the layer roughness after transfer is obviously lower than that obtained with the reference process. We have shown, using TEM and SIMS, that the mechanisms leading to hydrogen trapping are different in these two types of buried layers. Then, we have studied the hydrogen redistribution after implantation and annealing (by SIMS) and the platelets evolution (by TEM) during isothermal annealing in the Si/Si:B/Si structure. During annealing, the platelets formed outside of the Si:B buried layer dissolved in favor of the ones, larger, formed in the doped layer, which grow and finally form microcracks. This growth results in the transfer of implanted hydrogen towards the trapping layer. Nevertheless, this diffusion is slow and all implanted hydrogen is not finally « pumped » by the trapping layer. A simple numerical model makes it possible to understand then to reproduce qualitatively the redistribution phenomenon observed by SIMS. This work shows that the incorporation of Si:B buried layer in the donor substrate is a very promising technique for the manufacturing of ultrathin SOI. This process was optimized in an industrial environment and transferred films with a post fracture roughness a decade lower compared to the reference process were obtained.