Elaboration et caract?risation de structures Silicium-sur-Isolant r?alis?es par la technologie Smart Cut? avec une couche fragile enterr?e en silicium poreux

par Anne-Sophie Stragier

Thèse de doctorat en Electronique, ?lectrotechnique, automatique

Sous la direction de Mustapha Lemiti.

Soutenue le 17-10-2011

à Lyon, INSA , dans le cadre de ?cole doctorale ?lectronique, ?lectrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (laboratoire) et de INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon (laboratoire) .

Le président du jury était Daniel Barbier.

Le jury était composé de Mustapha Lemiti, Daniel Barbier, Fran?ois Rieutord, Daniel Bellet, Oleg Kononchuk, Thomas Signamarcheix.

Les rapporteurs étaient Fran?ois Rieutord, Daniel Bellet.


  • Résumé

    Au vu des limitations rencontr?es par la miniaturisation des circuits micro?lectroniques, l?augmentation de performances des syst?mes repose largement aujourd?hui sur la fabrication d?empilements de couches minces complexes et innovants pour offrir davantage de compacit? et de flexibilit?. L?int?r?t grandissant pour la r?alisation de structures innovantes temporaires, i.e. permettant de r?aliser des circuits sur les deux faces d?un m?me film, nous a men? ? ?valuer les potentialit?s d?une technologie combinant le transfert de films minces monocristallins, i.e. la technologie Smart Cut?, et un proc?d? de de porosification partielle du silicium afin de mettre au point une technologie de double report de film monocristallin. En ce sens, des substrats de silicium monocristallin ont ?t? partiellement porosifi?s par anodisation ?lectrochimique. La mise en ?uvre de traitements de substrats partiellement poreux a n?cessit? l?emploi de techniques de caract?risation vari?es pour dresser une fiche d?identit? des couches minces poreuses apr?s anodisation et ?valuer l??volution des propri?t?s de ces couches en fonction des diff?rents traitements appliqu?s. Les propri?t?s chimiques, structurales et m?caniques des couches de Si poreux ont ainsi ?t? ?tudi?es via l?utilisation de diff?rentes techniques de caract?risation (XPS-SIMS, AFM-MEB-XRD, nanoindentation, technique d?insertion de lame, etc.). Ces ?tudes ont permis d?appr?hender et de d?crire les m?canismes physiques mis au jeu au cours des diff?rents traitements et de d?terminer les caract?ristiques {porosit?, ?paisseur} optimales des couches poreuses compatibles avec les s?quences de la technologie propos?e. La technologie Smart Cut? a ainsi ?t? appliqu?e ? des substrats partiellement porosifi?s menant ? la fabrication r?ussie d?une structure temporaire de type Silicium-sur-Isolant avec une couche de silicium poreux enterr?e. Ces structures temporaires ont ?t? ? d?mont?es ? dans un second temps par collage polym?re ou collage direct et insertion de lame menant au second report de film mince monocristallin par rupture au sein de la couche porosifi?e et donc fragile. Les structures fabriqu?es ont ?t? caract?ris?es pour v?rifier leur int?grit? et leurs stabilit?s chimique et m?canique. Les propri?t?s cristallines du film mince de Si monocristallin, report? en deux temps, ont ?t? v?rifi?es confirmant ainsi la compatibilit? des structures fabriqu?es avec des applications micro?lectroniques telles que les applications de type ? Back-Side Imager ? n?cessitant une impl?mentation de composants sur les deux faces du film. Ainsi une technologie prometteuse et performante a pu ?tre ?labor?e permettant le double report de films minces monocristallins et ? fort potentiel pour des applications vari?es comme les imageurs visibles ou le photovolta?que.

  • Titre traduit

    Elaboration and characterization of Silicon-On-Insulator structures made by the Smart Cut? technology with a weak embedded porous silicon layer


  • Résumé

    As scaling of microelectronic devices is confronted from now to fundamental limits, improving microelectronic systems performances is largely based nowadays on complex and innovative stack realization to offer more compaction and flexibility to structures. Growing interest in the fabrication of innovative temporary structures, allowing for example double sided layer processing, lead us to investigate the capability to combine one technology of thin single crystalline layer transfer, i.e. the Smart Cut? technology, and partial porosification of silicon substrate in order to develop an original double layer transfer technology of thin single crystalline silicon film. To this purpose, single crystalline silicon substrates were first partially porosified by electrochemical anodization. Application of suitable treatments of porous silicon layer has required the use of several characterization methods to identify intrinsic porous silicon properties after anodization and to verify their evolution as function of different applied treatments. Chemical, structural and mechanical properties of porous silicon layers were studied by using different characterization techniques (XPS-SIMS, AFM-MEB-XRD, nanoindentation, razor blade insertion, etc.). Such studies allowed comprehending and describing physical mechanisms occurring during each applied technological steps and well determining appropriated {porosity, thickness} parameters of porous silicon layer with the developed technological process flow. The Smart Cut? technology was successfully applied to partially porosified silicon substrates leading to the fabrication of temporary SOI-like structures with a weak embedded porous Si layer. Such structures were then ?dismantled? thanks to a second polymer or direct bonding and razor blade insertion to produce a mechanical rupture through the fragile embedded porous silicon layer and to get the second thin silicon film transfer. Each fabricated structure was characterized step by step to check its integrity and its chemical and mechanical stabilities. Crystalline properties of the double transferred silicon layer were verified demonstrating the compatibility of such structures with microelectronic applications such as ?Back-Side Imagers? needing double-sided layer processing. Eventually, a promising and efficient technology has been developed to allow the double transfer of thin single crystalline silicon layer which presents a high potential for various applications such as visible imagers or photovoltaic systems.

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