DANS UNE COUCHE MINCE CONTRAINTE ET STRUCTURE OBTENUE PAR LA MISE EN ŒUVRE DU PROCEDE

Le domaine de l'invention est celui des structures comprenant un substrat et une couche mince en un matériau semi conducteur sur le substrat, ia couche mince servant de couche active pour ia formation de composants électroniques.

L'invention concerne plus particulièrement les structures dont ia couche mince est en un matériau semi conducteur contraint. A titre d'exemples non limitatifs de telles structures, on peut citer les structures SGOI (selon l'acronyme de l'expression anglo-saxonne Strained Silicon on SiGe on Insulator) comprenant un susbstrat, une couche isolante, une couche de SiGe relaxée et une couche mince de Si contraint sur Ia couche de SiGe relaxée, ou encore Ses structures sSOI (selon l'acronyme de l'expression anglo-saxonne Strained Silicon On Insulator) comprenant un substrat, une couche isolante et une couche mince de siiicium contraint directement sur ia couche isolante.

L'un des atouts de ces structures à couche active contrainte concerne leurs propriétés électriques. Le réseau cristallin de la couche électriquement active étant contraint, la mobilité des charges électriques (électrons, trous) est effectivement accrue sur l'ensemble de la couche active. Il en découle une augmentation de l'ordre de 20 à 30% de ia performance des transistors qui seront formés à partir de la couche contrainte. II est connu que l ^' épaisseur de ia couche contrainte est limitée à une épaisseur critique au delà de laquelle on observe une relaxation plastique de la contrainte par la formation de défaut de type dislocations. A titre d'exemple, une couche de sSi formée sur une couche sous jacente de SiGe 20% relaxée peut présenter une épaisseur de l'ordre de 20nm dans des conditions standard de température de dépôt (500 ⁰ C à 80O ⁰ C) sans qu'il n'y ait formation de dislocations. Une couche de sSi formée sur une couche de

SiO ₂ , par exemple grâce à une technologie de report de couche , pour des température standard de dépôt autour de 700 ^c C peut être épaissie jusqu'à environ 70 à 100 nrn sans également qu'il n'y ait formation excessive de dislocations. Afin de fabriquer les composants électroniques, on vient typiquement graver Ia couche mince selon un motif particulier pour former, à partir de cette couche mince, un ensemble d'îlots dans le matériau semi-conducteur contraint.

Dans tous les cas, on aura pris soin dans le cadre de Ia présente invention de ne pas former une couche mince dont l'épaisseur excède l'épaisseur critique au delà de laquelle on observe une relaxation plastique par formation de dislocations

Toutefois, lors de l'opération de gravure destinée à former ies îîots, il est possible qu'une relaxation élastique de la contrainte ait lieu (c'est à dire une relaxation au moins partielle de la contrainte, sans formation de dislocations). En d'autres termes, il existe un risque que l'îlot ne présente plus ia même contrainte que celle de Ia couche mince à partir de laquelle il a été formé. Notamment, alors que la contrainte était particulièrement homogène au sein de fa couche active, H est à craindre que ia contrainte ne soit plus homogène au sein de l ^' îlot.

La relaxation de la contrainte peut varier en fonction de l'épaisseur de la couche mince ou en fonction de la taille de l'îlot.

Afin de réduire le risque de voir cette contrainte relâchée, les fabricants de substrats ont jusqu'à présent limité l'épaisseur des couches minces contraintes.

Il existe toutefois un besoin pour des structures à couches minces plus épaisses, notamment dans l'optique de la formation de composants électroniques selon des architectures à dépiétion partielle (architectures PD selon l'acronyme de l'expression anglo-saxonne Partiaily Depleted). D'une manière plus générale, il est souhaitable de limiter autant que possible la relaxation de la contrainte consécutive à l'opération de gravure

pour la formation des îlots, et donc le risque d'engendrer une dégradation des performances des futurs composants électroniques.

L'invention a pour objectif de répondre à ce besoin d'une technique permettant d'éviter la relaxation de la contrainte dans (es îlots formés par gravure d'une couche mince en matériau semi conducteur contraint.

Elie propose à cet effet, et selon un premier aspect, un procédé de préparation d'une structure comportant un substrat et une couche mince de matériau semi-conducteur contraint sur le substrat, (a structure étant destinée à être utilisée lors d'une étape de fabrication de composants électroniques au cours de laquelle on vient former à partir de ia couche mince un ensemble d ^' îlots en ledit matériau semi-conducteur contraint, caractérisé en ce qu'i! comporte une étape consistant à former sur ia couche mince une couche de maintien de la contrainte adaptée pour limiter le reiâchement de ia contrainte dudit matériau semi-conducteur dans les îlots formés à partir de la couche mince lors de l'étape ultérieure de fabrication.

Certains aspects préférés, mais non limitatifs, de ce procédé sont les suivants :

- l'étape de formation de fa couche de maintien de ia contrainte est réalisée de manière à venir former sur ia couche mince contrainte une couche de maintien de la contrainte dont l'épaisseur est sensiblement au moins égale à celle de ladite couche mince contrainte ;

- Ia couche de maintien de la contrainte est une couche de SÎO2 ;

- la couche de maintien de Ia contrainte est une couche de Si ₃ N _4.

Selon un autre aspect, l'invention concerne un procédé de formation d'un îlot à partir d'une couche mince en matériau semi-conducteur contraint, caractérisé en ce qu'il comporte une étape préalable de formation sur la couche mince d'une couche de maintien de la contrainte adaptée pour limiter le relâchement de la contrainte dudit matériau semi-conducteur dans l'îlot, ainsi qu'une étape de gravure de ladite couche mince et ladite couche de maintien de Ia contrainte adaptée pour que l'îlot soit recouvert d'une partie de ladite couche de maintien de la contrainte.

L'étape de gravure peut être réalisée de manière à ce que la(ies) dimension(s) de l'îlot dans la(les) dιrection(s) de contrainte soι(en)t sensiblement deux fois supéπeure(s) à l'épaisseur de la couche mince à partir duquel il est formé. L'étape de formation peut être réalisée de manière à venir former sur la couche mince contrainte une couche de maintien de la contrainte dont l'épaisseur est sensiblement au moins égaie à celie de ladite couche mince contrainte.

Selon encore un autre aspect, l'invention concerne une structure obtenue par la mise en œuvre du procédé selon l'un ou l'autre des deux premiers aspects de i'invention.

D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente une structure comportant une couche mince contrainte à partir de laquelle, lors d'une étape de fabrication de composants électroniques, on vient former un ensemble d'îlots ; ~ ia figure 2 représente une structure SeOI , la figure 3 illustre la symétrie du phénomène de relaxation lorsque la technique utilisée pour former Ia couche mince contrainte crée une contrainte à symétrie bî-axiaie ;

- la figure 4 est un graphique représentant la variation de la contrainte le long du bord supérieur d'un îlot non recouvert d'une couche de maintien de la contrainte, pour différentes épaisseurs de l'îlot ,

- Sa figure 5 est un graphique représentant le rétrécissement latéral de l'îlot non recouvert d'une couche de maintien de la contrainte en fonction de l'épaisseur de l'îlot ;

- Ia figure 6 est un schéma illustrant le rétrécissement observé par déplacement latéral des bords d'un îlot non recouvert d'une couche de maintien de la contrainte ;

- ta figure 7 est un graphique représentant le rétrécissement relatif d'un îlot non recouvert d'une couche de maintien de !a contrainte, en fonction de la longueur du côté de l'îlot ;

- la figure 8 est un graphique représentant la variation de !a contrainte ie long du bord supérieur d'un îlot non recouvert d'une couche de maintien de la contrainte, pour différentes longueurs du côté de i'îiot ;

- la figure 9 est un graphique illustrant les différentes étapes d'un mode de réalisation possible d'un procédé selon l'invention ;

- les figures 10 et 11 illustrent le rétrécissement observé après gravure d'une couche mince contrainte sur laquelle on a préalablement formé une couche de maintien de la contrainte respectivement en SiO ₂ et en Si ₃ N ₄ ;

- les figures 12 et 13 représentent ('évolution de la contrainte le long du bord supérieur d'un îlot, pour différentes mises en oeuvre d'un procédé selon l'invention.

En référence à la figure 1 , on a représenté une structure 1 comprenant un substrat 2 et une couche mince 3 en un matériau semi-conducteur contraint sur le substrat 2. Au cours d'une étape de fabrication de composants électroniques, on vient former à partir de la couche mince 3 un ensemble d'îlots 4 en ledit matériau serni-conducteur contraint. Les îlots 4 sont notamment destinés à former les régions de conduction des futurs composants électroniques.

Les îlots 4 sont typiquement formés par gravure de la couche mince 3 selon un motif particulier. On mentionne ici que cette gravure peut être une gravure chimique ou encore une gravure ionique réactive RIE (acronyme de l'expression anglo-saxonne Reactive Ion Etching).

La description suivante s'attache, dans un premier temps, à analyser la relaxation de contrainte dans les îlots, consécutive à la gravure de la couche mince lors de la fabrication de composants électroniques. La gravure de la couche contrainte a été simulée, à l'aide d'une modélisation par éléments finis, afin de quantifier les phénomènes de

relaxation de la contrainte au sein de (a couche portée par un Ilot « découpé » par gravure de la couche mince.

Plus précisément cette simulation a permis d'étudier ie relâchement au sein de l'Tiot en fonction de la variation de deux dimensions : la hauteur h et la longueur a de l'îlot.

La structure étudiée dans le cadre de cette simulation est plus précisément une structure de type SeOI (selon l'expression anglo-saxonne Semiconductor On Insuiator) comprenant une couche mince en un matériau semi-conducteur contraint transférée selon un procédé de transfert de couche de type SMART-CUT® sur une couche isolante déposée sur un substrat de base en silicium.

On pourra trouver de plus amples détails concernant Je procédé SMARTCUT ^® dans le document « Siiicon-On-Insulator Technology : Materials to VLSl, 2nd Edition » de Jean-Pierre Colinge chez « Kiuwer Académie Publishers », p.50 et 51.

Plus précisément la structure étudiée comprend (cf. figure 2) : un substrat de base 5 en silicium <100> ; une couche isolante 6 de S1O2 (également dénommée couche d'oxyde enterrée BOX selon l'expression angfo-saxonne Buried Oxide) dont l ^' épaisseur est comprise entre 800 et 2000 angstrôms, préférentieϋement d'environ 1450 angsîrôms ; une couche contrainte 7, par exemple une couche de silicium contraint (sSI selon l'expression « strained Silicon »), ou une couche de Silicium Germanium SiGe contraint, présentant un désaccord de paramètre de maille de l'ordre de 0,78% avec le même matériaux relaxé (dans Ie cas d'une couche de sSI formée sur une couche germe cristalline relaxée de type SiGe à 20% de Ge) et un stress, c'est-à-dire une contrainte biaxiale, homogène au sein de la couche contrainte de l'ordre de 1 ,4 Giga Pascal (Gpa).

Le comportement mécanique de !a couche contrainte en sSl a été modélisé seion ia théorie élastique linéaire et l'évolution de la contrainte a été étudiée selon une méthode de calcul par éléments finis.

Dans de cadre de cette simulation, les îlots sont supposés avoir la forme de parallélogrammes de hauteur h, présentant une base carrée de côté a (cf. figure 1 ). Ce haut niveau de symétrie, rendu possible du fait de ia symétrie bi-axiale de la contrainte de la couche ici étudiée, permet de considérer un problème réduit à deux dimensions, comme cela est représenté sur la figure 3 (où la référence A _s indique l'axe de symétrie). Sur cette figure 3, on a représenté sous la référence 8, l'îlot en silicium contraint obtenu à partir de la couche 7 de sSi (cf. figure 2), suite à une gravure de cette dernière.

On note ici que Se dépôt par épitaxie d'une couche mince en Si sur un autre matériau du type SiGe crée une contrainte à symétrie biaxiale (et notamment une contrainte en tension) dans la couche mince en Si contraint.

D'autres techniques de formation de couches minces contraintes sont toutefois susceptibles de créer d'autres types de contrainte, et en particulier une contrainte à symétrie uni-axiale.

Et l'invention n'est aucunement limitée à des couches minces à contrainte biaxîale, mais s'étend à tout type de couche mince contrainte, et en particulier aux couches minces à contrainte uni-axiale.

On a représenté sur la figure 4 la variation de la contrainte le long du bord supérieur de l'îlot (partant de la partie centrale et en se dirigeant vers son bord libre), et cela pour différentes épaisseurs h de l'îlot. On constate de cette figure 4, que ta contrainte diminue lorsque l'on se rapproche de la périphérie de illot.

Par ailleurs, les valeurs de contrainte diminuent en fonction de l'épaisseur de l'îlot, c'est-à-dire en fonction de l'épaisseur de la couche mince contrainte à partir de laquelle l'îlot a été formé. On a représenté sur la figure 5 un graphique illustrant le rétrécissement de l'îlot en fonction de l'épaisseur h de l'îlot (c'est-à-dire de l'épaisseur de la

couche sS! à partir de laquelle il a été formé). On constate que la relaxation de la contrainte dans l'îlot sSI entraîne un rétrécissement de Sa dimension a/2.

Par ailleurs, on constate que ce rétrécissement est d'autant plus faible par rapport à ia dimension a/2 que l'épaisseur de l'îlot est faible.

On a représenté de manière schématique sur la figure 6 ce rétrécissement par déplacement latéral (cf. flèches R) des bords de l'îlot.

La figure 7 est un graphique illustrant la variation du rétrécissement relatif de l'îlot en fonction de (a longueur de l'îlot. Ce graphique met en évidence que le rétrécissement relatif est plus important pour les petits motifs.

Toutefois, comme cela est apparent de la figure 8 représentant ia contrainte le long du bord supérieur de l'îlot pour des longueurs a d'îlot respectivement de 50, 80 et 120 nm, la contrainte diminue avec la longueur de l'îlot.

I! découle de ce qui précède que ia formation des îlots s'accompagne de problèmes de variation du stress et de déplacement latéral, susceptibles de diminuer les performances des composants électroniques qui seront ensuite formés En référence à la figure 9, l'invention propose de résoudre ces problèmes en mettant en œuvre, avant la gravure des îlots, une étape consistant à former, sur la couche mince contrainte 7, une couche 9 de maintien de la contrainte adaptée pour limiter le relâchement de (a contrainte dudit matériau semi-conducteur dans les îlots 8 formés à partir de la couche mince 7 lors de l'étape ultérieure de fabrication.

L'étape de gravure pour la formation des îlots en matériau contraint sera réalisée pour former un motif particulier, en venant graver la couche mince 7 à travers la couche 9 de maintien de la contrainte. Après gravure, les îlots 8 seront ainsi chacun recouverts par une couche 9' issue de la couche 9 de maintien de la contrainte.

L'étape de formation de Sa couche 9 de maintien de la contrainte peut consister à former ladite couche 9 sur tout ou partie de la surface de ia couche mince contrainte 7.

L'étape de formation est typiquement réalisée en venant déposer ladite couche 9 sur tout ou partie de la couche mince 7.

Cette formation n'est pas limitée par l'épaisseur de la couche mince contrainte 7. Il est ainsi possible de venir former ia couche 9 sur une couche 7 relativement fine, ou au contraire épaisse.

De manière non limitative, la couche 9 de maintien de la contrainte peut être une couche en un matériau rigide, indifféremment relaxé ou contraint.

Une couche de SiO ₂ est un exemple de couche de maintien de ia contrainte en un matériau rigide relaxé.

Une couche de SisN ₄ est un exemple de couche de maintien de Ia contrainte en un matériau rigide contraint. On note ici que les techniques de dépôt pouvant être utilisées pour former une couche de Si ₃ N ₄ sur ia couche mince peuvent venir former une couche de Si ₃ N ₄ contrainte en tension ou en compression. Par ailleurs, le dépôt d'une couche de Si ₃ N ₄ contrainte en compression peut s'avérer particulièrement avantageux lorsqu'il s'agit de maintenir fa contrainte au sein d'une couche mince contrainte en tension (telle qu'une couche de Si contraint formée sur du SiGe).

L ^' épaisseur de la couche 9 déposée sur la couche mince 7 est typiquement comprise entre 10 et 30 nm.

En référence aux figures 10 et 11 , on a étudié Ia contrainte dans l'îlot en sSI, pour différents épaisseurs et longueurs de la couche 9 de maintien de la contrainte. L'îlot a ici une épaisseur de 20 nm d'épaisseur et sa base carrée a un côté de 90 nm (a/2 = 45 nm).

Les figures 10 et 11 illustrent plus précisément le rétrécissement observé après gravure de la couche mince contrainte sur laquelle on avait préalablement déposé une couche de maintien de la contrainte. On a représenté sur la figure 10, le rétrécissement en fonction de l'épaisseur d'une couche de maintien de ia contrainte en S1O ₂ .

La figure 11 représente quant à elle Ie rétrécissement en fonction de l'épaisseur d'une couche de maintien de la contrainte en Si ₃ N ₄ .

Plus précisément, on a reporté sur ces figures 10 et 1 1 , le rétrécissement maximal observé (globalement observé à la moitié de l'épaisseur de l'îlot)

On constate que le rétrécissement est fonction des propriétés mécaniques du matériau de la couche de maintien de la contrainte.

En particulier, les propriétés élastiques de la couche de maintien de la contrainte influencent directement l'épaisseur devant être déposée pour retenir une certaine quantité de contrainte et limiter le rétrécissement de l'îlot.

On a représenté sur la figure 12 l'évolution de la contrainte le long du bord supérieur de l'îlot dans les configurations suivantes :

- couche mince de sSI de 20 nm d'épaisseur sur laquelle on n'a pas formé de couche de maintien de la contrainte avant de former un îlot selon un motif carré de 45 nm de côté (a/2 = 22,5 nm) ;

- couche mince de sSI de 20 nm d'épaisseur sur laquelle, avant de former un îlot selon un motif carré de 45 nm de côté (a/2 = 22,5 nm), on a déposé une couche de Siθ ₂ d'épaisseur : o 10 nm, o 20 nm, o 30 nm.

Enfin, on a représenté sur la figure 13 l'évolution de ia contrainte le long du bord supérieur de l'îlot dans les configurations suivantes :

- couche mince de sSI de 10 nm d'épaisseur sur laquelle on a déposé une couche de Siθ ₂ d'épaisseur 20 nm avant de former un îlot selon un motif carré de 45 nm de côté (a/2 = 22,5 nm) ;

- couche mince de sSi de 20 nm d'épaisseur sur laquelle on n'a pas formé de couche de maintien de la contrainte avant de former un îlot selon un motif carré de 45 nm de côté (a/2 = 22,5 nm) ;

- couche mince de sS! de 20 nm d'épaisseur sur laquelle, avant de former un îlot selon un motif carré de 45 nm de côté (a/2 = 22,5 nm}, on a déposé une couche : o de SiO ₂ d'épaisseur 20 nm ; o de Si ₃ N ₄ d'épaisseur 20 nm.

Les figures 12 et 13 illustrent les performances de la présente invention en ce qu'elle permet de maintenir ia contrainte du matériau semi-conducteur contraint (ici le silicium) au sein de l'îlot formé à partir de la couche mince.

Par ailleurs, on note des figures 9 à 12 qu'il existe une épaisseur optimale de la couche de maintien de (a contrainte à partir de laquelle on n'observe pas d'amélioration.

On constate des différentes figures, et notamment de la comparaison des figures 4 et 12, que la présente invention permet de maintenir le niveau de contrainte, notamment sur les bords de l'îlot. Le niveau de stress est ainsi globalement homogène au sein de la couche mince recouverte selon l'invention par une couche de maintien de Ia contrainte. La couche mince étant destinée à former la zone de conduction des composants électroniques, l'invention permet donc de conserver un niveau de stress globalement homogène au sein de ia zone de conduction. il découle de ce qui précède que la formation, avant Ia gravure, d'une couche de maintien de la contrainte permet de limiter le phénomène de relaxation. L'efficacité de cette couche de maintien de la contrainte est directement liée à ses propriétés élastiques (type de matériau constituant cette couche) et à ses dimensions géométriques. L ^' examen notamment de la figure 12 permet en particulier de tirer les conclusions suivantes. Afin de conserver une quantité maximale de stress dans un îlot, la gravure de la couche mince doit être préférentieilement réalisée de manière à ce que les dimensions de l'îlot dans les directions de contrainte, c'est-à-dire dans le cas d'une contrainte uni-axiale, celle des dimensions de l'îlot qui suit la direction de contrainte, (typiquement largeur et longueur de sa base dans le cas d'un îlot parallélépipédique, ou encore, à

titre d'exemple, dimensions du petit axe et du grand axe de l'ellipse formant la base d'un îlot) soient sensiblement deux fois supérieures à son épaisseur h (c'est-à-dire à l'épaisseur de la couche mince à partir de laquelle il est formé). Il peut par exemple s'agir de réaliser une gravure de manière à ce que i'îiot présente une base carrée dont le côté a est sensiblement deux fois supérieur à son épaisseur h.

Par aiileurs, l'étape de formation de la couche de maintien de la contrainte sur la couche contrainte doit être préférentielîement réalisée de manière à ce que ladite couche de maintien de la contrainte présente une épaisseur au moins sensiblement égale à l'épaisseur h de i'îiot (c'est-à-dire à l'épaisseur de la couche mince à partir de laquelle l'îlot est formé).

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à la formation d'une simple couche de maintien de la contrainte mais s'étend au dépôt sur la couche mince contrainte de structure multicouche apte à agir comme couche de maintien de la structure.

On précise ci-après que l'invention trouve avantageusement application dans ie processus de fabrication des circuits intégrés (et notamment fabrication de composants CMOS) au cours duquel on vient classiquement former une couche d ^' oxyde épais (par oxydation du substrat, typiquement en Silicium), ou encore déposer une couche en matériau diélectrique sur le substrat (par exemple dans le cas où le substrat est de type sSOI). ces couches jouant typiquement le rôle d'oxyde de grille ou de couche diélectrique. En effet, la couche de maintien de la contrainte peut jouer ce rôle de couche d'oxyde épais/couche de diélectrique, tout en permettant en outre de maintenir l'homogénéité de la contrainte dans la couche mince destinée à servir de zone de conduction.