Etude de l'impact du procédé Smart Cut TM sur la qualité cristalline des couches minces de silicium transférées

Study of the impact of Smart Cut™ process on crystal quality of thin transferred silicon layers

• Auteur / Autrice : Jeremy Roi
• Direction : Alain Claverie, Nikolay Cherkashin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Paillard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Mazen, Filadelfo Cristiano
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Dimitris Tsoukalas, Marie-Laure David

Mots clés

Mots clés contrôlés

FD-SOI (transistors)

Silicium -- Couches minces

Mots clés libres

Silicium sur isolant

SOI

Surface

Cristal

Défauts cristallins

Précipitation

Interstitiels

Silicon on insulator

SOI,

Surface

Crystal

Crystal defects

Precipitation

Interstitials

Résumé

Un silicium sur isolant (SOI) transféré par procédé Smart Cut™ requiert des étapes de finition à hautes températures : une ou plusieurs oxydations humides supérieures à 800°C pour amincir la couche de silicium et un recuit neutre d’environ 1200°C pour guérir le matériau et lisser la surface. Ces traitements ont pour conséquence de former de petites dépressions non-débouchant, pouvant être la source de défaillances et de non-uniformités d’épaisseurs sur les substrats SOI. L’origine de ces « shallow holes » a été étudiée afin de mieux comprendre l’évolution du matériau. Sous le centre de la dépression, nous avons révélé un nouveau précipité d’interstitiels parfaitement stable. L’objet a été caractérisé au moyen de diverses techniques de microscopie (MEB, MET HR, WBDF & DFEH). Nommé « défaut tente » pour sa structure allongée en forme de « V » sous la surface, il est composé de quatre fautes d’empilements et cinq dislocations Lomer-Cottrell. Nous en avons déduit qu’il se forme à partir de boucles de dislocations sectionnées à la surface. Des interstitiels générés par l’implantation ionique dans le procédé Smart Cut™ sont à base des boucles de dislocation. Après fracture, l’oxydation permet la croissance de précipités formés avant la fracture par injection d’interstitiels, leur transformation en boucles de dislocation et leur section par le front d’oxydation. Nous avons proposé un mécanisme qui décrit leur transformation lors de lissage thermique en boucles allongées (rod-like) jusqu’à une faible profondeur d’équilibre. Ensuite, ses segments de dislocation se dissocient en formant le défaut tente. L’énergie de formation de la tente a été déterminée et placée dans la hiérarchie des défauts extrinsèques dans le silicium. L’ensemble de ces travaux ont permis de tester et proposer des solutions technologiques pour se débarrasser de ces défauts tentes et des dépressions à la surface d’un SOI.

Silicon-On-Insulator (SOI) layers as-transferred by Smart Cut™ process requires several finishing treatments: wet oxidation at 800°C-950°C to thin the silicon layer, and extremely high temperature (at almost 1200°C) annealing in neutral atmosphere, to heal the material and to smooth the surface. High temperature treatments lead to the formation of shallow dimples at the surface. These defects don’t pierce through the silicon layer, but they may cause failures of devices on SOI substrates. Beneath the center of a shallow dimple, we reveal a new very stable interstitial type precipitate. It was characterized using diverse microscopy techniques (SEM, HR TEM, WBDF & DFEH). Named after its long and narrow “V” shaped structure a « tent-like defect », it is composed of four {111} stacking faults and five stair-rod Lomer-Cotrell partial dislocations. We identified its precursor to be an elongated (rod-like) dislocation loop truncated by the surface. Interstitial point defects generated by ion implantation are at the origin of these dislocation loops. After splitting, thermal oxidation allows the growth of interstitial precipitates formed before splitting, their transformation into dislocation loops and truncation by the oxidation front. We proposed a mechanism for their transformation during the smoothening anneal into rod-like defects obeying one straight line pinned close to the surface and the bottom line located at some equilibrium distance independent of the initial size of the loops. Subsequently, each segment of such a loop is dissociated that results in a tent-like defect. The formation energy of such a structure was determined and placed in the hierarchy of extrinsic defects in silicon. This work proposed and enabled the testing of some technological solutions to avoid the formation of tent-like defects and get rid of shallow dimples at the surface of SOI wafers.