FR2846786A1 - Procede de recuit thermique rapide de tranches a couronne - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de finition d'état de surface d'une tranche (10) multicouche à couronne (1020) de matériaux choisis parmi les matériaux semiconducteurs par recuit thermique rapide, caractérisé en ce que lors du recuit le chauffage est adapté localement et sélectivement au niveau de la couronne pour prendre en compte la différence locale d'absorption thermique au niveau de la couronne.L'invention concerne également un procédé de finition d'état de surface d'une tranche multicouche à couronne de matériaux choisis parmi les matériaux semiconducteurs par recuit thermique rapide, caractérisé en ce que la tranche est sélectionnée de manière à présenter dans sa région centrale et sur sa couronne des coefficients d'absorption thermique sensiblement équivalents.L'invention concerne enfin une structure de continuité thermique destinée à être mise en oeuvre dans un procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les dimensions ou la forme de la structure de continuité thermique sont adaptées pour contribuer à établir sur la tranche une température de couronne sensiblement équivalente à la température du reste de la surface de la tranche, malgré les différences d'absorption thermique au niveau de la couronne.

Description

i La présente invention concerne un procédé de finition d'état de surface
d'une tranche multicouche à couronne de matériaux choisis parmi les matériaux
semiconducteurs par recuit thermique rapide.
On précise que par " tranche multicouche à couronne " on entend une 5 tranche de matériau semiconducteur qui présente les deux caractéristiques suivantes: * La tranche est " multicouche ", c'est à dire qu'elle est composée de l'assemblage d'au moins deux couches, * La tranche multicouche est " à couronne ", c'est à dire qu'elle comporte une 10 couronne périphérique (les tranches dont il est ici question et qui sont
communément désignées par le terme de " wafer " ont une forme généralement circulaire) présentant une marche d'épaisseur - typiquement du fait qu'au moins une couche supérieure de la tranche n'est pas présente sur cette couronne périphérique, seule(s) la ou les couche(s) inférieure(s) y 15 étant présente(s).
Et une application préférée de l'invention concerne des tranches de type SOI, qui comprennent un assemblage des couches suivantes: * une couche supérieure utile de silicium,
* une couche intermédiaire d'isolant formé par un oxyde, 20 e une couche inférieure de support.
Des procédés bien adaptés pour obtenir de telles tranches sont les procédés de transfert avec création d'une zone de fragilisation. Dans ce cas, la couche utile de silicium est obtenue à partir d'un substrat de silicium dans
lequel on a créé la zone de fragilisation.
Les procédés de type SMARTCUTr sont un exemple de tels procédés.
Lors du détachement de la tranche de SOI de son substrat selon la zone de fragilisation, seule la partie centrale (qui est proportionnellement largement
dominante) de la couche de silicium est effectivement détachée du substrat.
Dans la région périphérique de la tranche, ce détachement ne se fait en effet pas, de sorte que les tranches de SOI obtenues présentent une
" couronne " en forme de marche descendante.
Ceci est illustré de manière très schématique sur la figure 1, qui 5 représente une tranche 10 de SOI après détachement, cette tranche comprenant une couche 100 de support, une couche 101 d'isolant et une couche utile 102 en silicium, les couches 101 et 102 définissant une couronne
périphérique 1000 de quelques millimètres de largeur.
La surface des tranches ainsi obtenues doit ensuite être traitée, pour 10 respecter des spécifications d'état de surface très sévères.
Il est ainsi courant de trouver des spécifications de rugosité ne devant
pas dépasser 5 Angstroms en valeur rms (correspondant à l'acronyme anglosaxon " root mean square ").
Et un traitement permettant de lisser la surface des tranches est le recuit 15 thermique rapide, qui fait subir à la tranche un recuit thermique dans lequel la température atteint des valeurs de l'ordre de 1100 à 1250 OC, la durée totale du
recuit étant de l'ordre de quelques dizaines de secondes seulement.
On comprend donc qu'un tel traitement fait subir à la tranche des
contraintes thermiques très importantes, du fait de la montée très rapide en 20 température.
Si un tel traitement permet effectivement de lisser la surface des tranches, il est toutefois susceptible de générer des défauts dénommés " slip lines " (ce terme de " slip lines " étant dans le présent texte considéré comme
l'équivalent " lignes de glissement " en français).
Ces lignes de glissement sont en particulier générées par les inhomogénéités spatiales de température dans les fours de recuit (la température n'y étant pas strictement identique en tous points), et elles se développent sous l'effet des très importantes contraintes thermiques
mentionnées ci-dessus.
On a en outre observé que ces lignes de glissement sont en général
amorcées dans la région périphérique de la tanche.
Et dans le cas de tranches multicouches à couronne, ce phénomène de
lignes de glissement en périphérie de tranche est particulièrement prononcé.
Le but de l'invention est de permettre de réduire l'importance de ce problème. Afin d'atteindre ce but, l'invention propose selon un premier aspect un procédé de finition d'état de surface d'une tranche multicouche à couronne de matériaux choisis parmi les matériaux semiconducteurs par recuit thermique 10 rapide, caractérisé en ce que lors du recuit le chauffage est adapté localement et sélectivement au niveau de la couronne pour prendre en compte la différence
locale d'absorption thermique au niveau de la couronne.
Des aspects préférés, mais non limitatifs du procédé selon l'invention sont les suivants: 15. pour adapter le chauffage on commande sélectivement des lampes infrarouges situées en regard de la couronne, * pour adapter le chauffage on prend en compte les coefficients d'absorption thermique respectifs de la région centrale de la tranche, et de la couronne, a lesdits coefficients d'absorption thermique sont déterminés à partir de la 20 nature des matériaux composant les couches de la tranche, et des épaisseurs respectives de ces couches, * la tranche est un SOI et par rapport à une consigne de chauffage donnée pour une tranche ne présentant pas de couronne le chauffage est diminué sélectivement au niveau de la couronne, * lors du recuit on place la tranche dans une structure de continuité thermique * pour adapter le chauffage on adapte sélectivement les dimensions de la structure de continuité thermique, * la tranche est un SOI et par rapport au recuit d'une tranche ne présentant pas de couronne on diminue l'épaisseur de la structure de continuité thermique, * pour adapter le chauffage on adapte sélectivement l'espacement entre la tranche et la structure de continuité thermique, * la tranche est un SOI et par rapport au recuit d'une tranche ne présentant pas de couronne on augmente l'espacement entre la tranche et la structure de continuité thermique, ò pour adapter le chauffage on adapte sélectivement la forme de la structure 10 de continuité thermique, * la tranche est un SOI et par rapport au recuit d'une tranche ne présentant pas de couronne on adopte une structure de continuité thermique dont les
bords se trouvant en regard de la tranche sont plongeants.
Selon un deuxième aspect, l'invention propose également un procédé de 15 finition d'état de surface d'une tranche multicouche à couronne de matériaux choisis parmi les matériaux semiconducteurs par recuit thermique rapide, caractérisé en ce que la tranche est sélectionnée de manière à présenter dans sa région centrale et sur sa couronne des coefficients d'absorption thermique
sensiblement équivalents.
Un aspect préféré, mais non limitatif d'un tel procédé est le suivant: l'équivalence des coefficients sensiblement dans la région centrale et sur la couronne de la tranche est obtenue en prenant en considération la nature des matériaux composant les couches de la tranche dans la région centrale
et dans la couronne, et les épaisseurs respectives de ces couches.
Enfin, l'invention propose selon un troisième aspect une structure de continuité thermique destinée à être mise en oeuvre dans un procédé selon l'un des aspects ci-dessus, caractérisée en ce que les dimensions ou la forme de la structure de continuité thermique sont adaptées pour contribuer à établir sur la tranche une température de couronne sensiblement équivalente à la température du reste de la surface de la tranche, malgré les différences
d'absorption thermique au niveau de la couronne.
D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront mieux à
la lecture de la description suivante de formes préférées de réalisation de 5 l'invention, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels, outre la figure
1 qui a déjà été commentée: ò la figure 2 est une vue schématique d'une installation permettant de mettre en oeuvre un recuit selon l'invention, * les figures 3a à 3c sont des représentations schématiques de structures de 10 continuité thermique mises en oeuvre respectivement dans un recuit thermique classique (3a), et dans des recuits selon l'invention (3b et 3c) , * la figure 4 (issue de l'ouvrage " Handbook of semiconductor manufacturing
technology, p.224, 2000 " de Timans et al.) est un graphe représentant les valeurs du facteur d'absorption thermique de tranches multicouches, en 15 fonction des épaisseurs respectives des couches de la tranche.
En référence tout d'abord à la figure 2, on a représenté une installation de recuit thermique rapide, pour effectuer un recuit thermique rapide de
lissage d'une tranche à couronne 10.
On précise que sur cette figure, comme sur les figures 3a à 3c, la 20 tranche 10 est représentée avec seulement deux couches visibles. Toutefois, il
peut s'agir de tout type de tranche à couronne mentionné ci-dessus.
Et dans une application préférée de l'invention, la tranche 10 est un SOI.
Le chauffage du dispositif 10 est réalisé par l'intermédiaire de lampes
infrarouges L qui sont disposées en regard de la tranche.
Une unité 200 permet de commander l'alimentation électrique de ces lampes. Et comme on va le voir, l'unité 200 est apte à commander sélectivement et individuellement l'alimentation des différentes lampes, de manière à contrôler
la puissance émise individuellement par chacune de ces lampes.
De la sorte, il est possible de contrôler individuellement la puissance
d'émission de chaque lampe.
On précise qu'on pourra se reporter au document WO 01/69656 qui illustre un dispositif de recuit thermique rapide dans lequel différentes lampes sont commandées de manière individuelle. On remarque également sur la figure 2 (qui représente le dispositif en section) une structure de continuité thermique 21 qui entoure la tranche 10 en
étant placée à distance de celle-ci.
La structure 21 a ainsi la forme d'un anneau fermé qui est placé 10 concentriquement à la tranche 10.
Cette structure, qui est communément désignée par le terme de " Edge Ring " pour anneau de bord, est destinée à établir une certaine continuité dans
l'absorption de la chaleur au-delà des bords de la tranche 10.
En l'absence d'une telle structure en effet, on observerait des effets de 15 bord parasites à la périphérie de la tranche.
On trouvera un exemple d'un tel anneau de bord dans le document WO
01/69656 (anneau de bord 17).
On précise par ailleurs que si l'invention a pour objet de régler un problème apparaissant spécifiquement dans la région de couronne périphérique 20 de la tranche, le fait en soi de placer une structure de continuité thermique
autour de la tranche ne résout pas ce problème spécifique.
En effet, selon l'état de la technique la fonction des anneaux de bords est limitée à l'établissement d'une certaine continuité thermique dans
l'absorption au-delà des bords de la tranche.
A cet effet, les anneaux de bord ont _une section de forme " basique ", rectangulaire. Et comme on va le voir, dans le cas de l'invention, on propose des
perfectionnements de ces anneaux de bord destinés à remplir une fonction spécifique d'adaptation locale et sélective du chauffage au niveau de la 30 couronne périphérique de la tranche placée au centre de l'anneau de bord.
Pour prendre en compte la couronne périphérique de la tranche, on va sélectivement alimenter les lampes L se trouvant en regard de cette couronne, afin d'adapter leur puissance thermique rayonnée aux caractéristiques
intrinsèques d'absorption thermique de ladite couronne.
Ainsi, dans le cas d'une tranche SOI: la région centrale qui a une structure multicouche de SOI présente un facteur d'absorption thermique compris entre 0,4 et 0,8, en fonction de l'épaisseur du SOI, * alors que la couronne périphérique présente un facteur d'absorption 10 thermique différent. Ce facteur est par exemple de l'ordre de 0,7 dans le cas
d'un support en silicium.
On comprend donc que la région centrale et la région de la couronne ne vont pas absorber ni réfléchir les rayonnements thermiques infrarouges de la
même manière.
Et ces différences se traduisent par une différence de températures localisée à la surface de ces deux régions, ce qui favorise l'apparition de lignes
de glissement.
En adaptant localement et sélectivement le chauffage au niveau de la couronne pour prendre en compte cette différence d'absorption thermique au 20 niveau de la couronne, on favorise l'établissement de températures sensiblement équivalentes sur la surface de ces deux régions de la tranche, et
on prévient ainsi l'apparition de lignes de glissement.
On précise que le dispositif 20 est rempli d'un mélange gazeux, pouvant être par exemple un mélange d'hydrogène et d'argon, ou encore de l'argon pur. 25 On précise que le chauffage de la tranche est largement réalisé par le rayonnement infrarouge direct issu de lampes L, tandis qu'une part moins importante du chauffage provient de la conduction thermique réalisée par le
mélange gazeux.
Ceci favorise le contrôle local de la température de la tranche par la commande sélective des différentes lampes se trouvant en regard de ladite tranche.
Pour définir les commandes sélectives des différentes lampes, on prend 5 principalement en compte les coefficients d'absorption thermique respectifs de la région centrale de la tranche, et de la couronne.
Ces coefficients d'absorption thermique sont essentiellement déterminés à partir de la nature des matériaux composant les couches de ces deux régions
de la tranche et des épaisseurs respectives de ces couches.
La figure 4 illustre ainsi le cas simple d'une tranche comprenant une
couche de silicium sur une couche d'oxyde, sur un substrat de silicium.
On constate sur cette figure que le coefficient d'absorption thermique
varie en fonction des épaisseurs relatives de ces deux couches.
Bien sr, il est possible d'établir des graphes équivalents pour tout type 15 de tranches multicouches, en fonction de la nature des différentes couches.
Dans le cas d'une tranche de SOI qui est une structure composite (c'estàdire formée de l'empilement de différentes couches), on observe généralement que la région centrale correspondant au SOI lui-même absorbe
moins la chaleur que la couronne périphérique en silicium.
Dans ce cas, il convient de chauffer davantage la région centrale de la tranche que sa couronne, par rapport au chauffage que l'on ferait subir à une
structure non composite.
Revenant à la structure de continuité thermique 21 représentée sur la
figure 2, on précise que cette structure peut être placée autour de la tranche et 25 à la même hauteur que la tranche comme cela est représenté sur la figure 2.
Selon les contraintes liées au four de recuit utilisé, cette structure de continuité thermique peut en alternative être placée autour de la tranche mais en dessous de celle-ci, pour permettre d'amener la tranche dans sa position de
recuit selon une trajectoire horizontale.
Les figures 3a à 3c illustrent trois types de structure de continuité thermique. La figure 3a représente une configuration classique d'une telle structure,
qui a une section rectangulaire d'épaisseur constante.
Il est possible de mettre en oeuvre une telle structure de continuité thermique, en adaptant sélectivement ses dimensions pour permettre d'adapter localement la température au niveau de la couronne de la tranche, pour prendre en compte la différence locale d'absorption thermique au niveau de cette couronne. En effet, une structure 21 plus épaisse (c'est-à-dire dont la section telle que représentée sur les figures 3a à 3c est plus large) tendra à augmenter la
température au niveau de la couronne de la tranche.
Au contraire, une structure 21 plus fine contribue à diminuer la
température au niveau de la couronne de la tranche.
On pourra ainsi jouer sur l'épaisseur de la structure de continuité thermique, en fonction des coefficients d'absorption respectifs de la région
centrale de la couronne de la tranche.
Revenant au cas du SOI dans lequel la couronne présente un coefficient d'absorption supérieur à celui de la région centrale, on diminuera ainsi 20 l'épaisseur de la structure de continuité thermique par rapport au recuit d'une
tranche ne présentant pas de couronne.
Il est également possible d'adapter sélectivement l'espacement e entre
la tranche et la structure de continuité thermique 21.
En effet, en augmentant cet espacement, on contribue à diminuer la 25 température au niveau de la couronne de la tranche.
Et dans le cas du SOI mentionné ci-dessus, on augmentera l'espacement e par rapport au recuit d'une tranche ne présentant pas de couronne. Il est également possible d'adapter sélectivement la forme de la structure de continuité thermique, pour adapter localement et sélectivement le chauffage
au niveau de la couronne.
Les figures 3b et 3c représentent ainsi des géométries spécifiques pour la section de la structure 21: * cette section ayant une forme présentant un biseau plongeant vers l'intérieur sur la figure 3b, * cette section présentant une forme bombée avec ici encore un bord
plongeant vers l'intérieur sur la figure 3c.
En particulier, en adoptant une structure de continuité thermique 21 dont la section présente un bord plongeant en regard de la tranche, on contribue à
diminuer la température au niveau de la couronne de cette tranche.
Cette solution sera donc bien adaptée dans le cas de la tranche SOI
mentionnée ci-dessus.
On précise que les dispositions évoquées ci-dessus à propos de la
dimension de la structure 21, de la valeur de l'espacement e, et de la forme de la structure 21 peuvent être adoptées en combinaison les unes avec les autres.
Et ces dispositions peuvent également être prises en combinaison avec l'alimentation sélective des lampes L. Il est également possible d'utiliser comme abaques des graphes tels que celui de la figure 4 pour choisir sélectivement une tranche multicouche à couronne présentant dans sa région centrale et sur sa couronne des
coefficients d'absorption thermique sensiblement équivalents.
Ceci peut être obtenu en prenant en considération la nature des 25 matériaux composant les couches de la tranche, les couches de la tranche
dans ces deux régions et les épaisseurs respectives de ces couches.
En particulier, si on doit traiter une tranche dont les couches sont composées de matériaux donnés, on pourra choisir d'adapter l'épaisseur de ces couches pour aboutir à des coefficients d'absorption thermique il sensiblement équivalents dans la région centrale de la tranche et sur sa couronne. Il est également possible d'ajouter sélectivement des couches ou des portions de couches modifiant localement le coefficient d'absorption thermique de la tranche. Le choix des épaisseurs des couches de la tranche et/ou l'insertion de couches spécifiques peut également être mis en oeuvre en combinaison avec l'ensemble des dispositions mentionnées ci-dessus (alimentation sélective des lampes L, adaptation des caractéristiques d'une structure de continuité 10 thermique 21), en permettant de minimiser les écarts de coefficients d'absorption thermique respectifs de la région centrale et de la couronne de la tranche.

Claims (15)

REVENDICATIONS
1. Procédé de finition d'état de surface d'une tranche (10) multicouche à
couronne (1020) de matériaux choisis parmi les matériaux semiconducteurs par recuit thermique rapide, caractérisé en ce que lors du recuit le chauffage est adapté localement et sélectivement au niveau de la couronne pour prendre en compte la différence locale d'absorption 10 thermique au niveau de la couronne.
2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que pour adapter le chauffage on commande sélectivement des lampes infra
rouge (L) situées en regard de la couronne.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce
que pour adapter le chauffage on prend en compte les coefficients d'absorption thermique respectifs de la région centrale de la tranche, et
de la couronne.
4. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits coefficients d'absorption thermique sont déterminés à partir de la nature des matériaux composant les couches de la tranche, et des épaisseurs
respectives de ces couches.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce
que la tranche est un SOI et par rapport à une consigne de chauffage donnée pour une tranche ne présentant pas de couronne le chauffage
est diminué sélectivement au niveau de la couronne.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce
que lors du recuit on place la tranche dans une structure de continuité
thermique (21).
7. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que pour adapter le chauffage on adapte sélectivement les dimensions de la
structure de continuité thermique.
8. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la 10 tranche est un SOI et par rapport au recuit d'une tranche ne présentant pas de couronne on diminue l'épaisseur de la structure de continuité thermique.
9. Procédé selon l'une des trois revendications précédentes, caractérisé en 15 ce que pour adapter le chauffage on adapte sélectivement l'espacement
(e) entre la tranche et la structure de continuité thermique.
10.Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la tranche est un SOI et par rapport au recuit d'une tranche ne présentant 20 pas de couronne on augmente l'espacement entre la tranche et la
structure de continuité thermique.
11.Procédé selon l'une des cinq revendications précédentes, caractérisé en
ce que pour adapter le chauffage on adapte sélectivement la forme de la 25 structure de continuité thermique.
12.Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la
tranche est un SOI et par rapport au recuit d'une tranche ne présentant pas de couronne on adopte une structure de continuité thermique dont 30 les bords se trouvant en regard de la tranche sont plongeants.
13.Procédé de finition d'état de surface d'une tranche multicouche à couronne de matériaux choisis parmi les matériaux semiconducteurs par recuit thermique rapide, caractérisé en ce que la tranche est 5 sélectionnée de manière à présenter dans sa région centrale et sur sa couronne des coefficients d'absorption thermique sensiblement équivalents.
14.Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que 10 l'équivalence des coefficients sensiblement dans la région centrale et sur la couronne de la tranche est obtenue en prenant en considération la nature des matériaux composant les couches de la tranche dans la région centrale et dans la couronne, et les épaisseurs respectives de ces couches.
15.Structure de continuité thermique destinée à être mise en oeuvre dans un
procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les dimensions ou la forme de la structure de continuité thermique sont adaptées pour contribuer à établir sur la tranche une température 20 de couronne sensiblement équivalente à la température du reste de la
surface de la tranche, malgré les différences d'absorption thermique au
niveau de la couronne.
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