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Patterning ultime

Pour structurer la matière, on utilise généralement une approche top down qui consiste à transférer des motifs de résine préalablement imprimés par une étape de lithographie dans les couches sous-jacentes du dispositif en utilisant la gravure par plasma. La dimension du motif final est déterminée par la résolution de l’étape de lithographie. Or dès les années 2000, la lithographie a été un frein à la miniaturisation des composants CMOS pour la logique.

L’équipe gravure a ainsi travaillé sur des stratégies plasma permettant de contourner les limitations en résolution des lithographies optiques conventionnelles.
Par exemple, notre équipe a développé des procédés dit de « resist trimming » (ou érosion de cote résine) qui permettent une gravure isotrope des motifs de résine préalablement imprimés par lithographie utilisant des chimies de plasma à base d’O2, afin d’en diminuer leur dimension [1]. Les motifs de petites dimensions ainsi réalisés peuvent ensuite être transférés dans les couches actives du dispositif.
Le procédé de trim est encore aujourd’hui une solution utilisée pour diminuer la dimension des motifs de résine imprimés par lithographie mais cette stratégie ne permet pas d’augmenter la densité des motifs, d’où l’introduction de stratégies dites de « patterning multiple » qui permet de multiplier la densité de motifs préalablement imprimés par la lithographie 193nm par immersion. Nous avons développé une intégration complexe de quadruple patterning de 12 étapes technologiques pour réaliser des structures denses 10/10nm dans le substrat de silicium à partir de motifs denses 40/40nm imprimés par une lithographie optique conventionnelle utilisant une longueur d’onde 193nm [2]. Etre capable de miniaturiser la taille des composants n’est pas le seul défi à relever. La vraie problématique avec la réduction des dimensions est la présence de rugosité sur les flancs des structures après gravure, qui entraine des variabilités sur la dimension du motif et donc une variabilité sur les paramètres électriques du dispositif. Cette rugosité a pour origine la rugosité des flancs des motifs de résine après lithographie qui est transmise dans les couches sous-jacentes lors du transfert par gravure plasma. Ainsi, de nombreuses études ont porté sur la minimisation des rugosités de flancs des résines par l’introduction de traitements plasma. Il a été montré que le rayonnement UV émis par certains plasmas comme l’H2 ou l’HBr permettait une réorganisation des chaînes polymères de la résine et un lissage de ces flancs [3], [4]. Ces études nous ont permis d’acquérir des compétences en minimisation et métrologie de la rugosité de flancs de motifs.

Contact :

camille.petit-etienne@cea.fr

erwine.pargon@cea.fr

gilles.cunge@cea.fr

Grille de silicium de 10nm obtenue par approche top-down grâce à l’introduction d’une étape de resist trimming
A gauche : Etapes technologiques impliquées dans l’approche double patterning auto-alignée pour la réalisation de structures denses 20/20nm à partir d’une lithographie optique de période 80nm. A droite : Etapes technologiques impliquées dans l’approche quadruple patterning auto-alignée pour la réalisation de structures denses 10/10nm à partir d’une lithographie optique de période 80nm
Etapes technologiques impliquées dans la fabrication de masques copolymère high-χ ordonnés par graphoépitaxie et transfert de ce masque dans un empilement masque dur puis silicum

Finalement, nous avons contribué à l’émergence de lithographies alternatives comme les copolymères à bloc dont l’intégration nécessite des développements de gravure plasma, d’une part pour graver sélectivement une des deux phases du copolymère pour former un nanomasque [5], et d’autre part pour transférer ce nanomasque très fin et fragile dans le matériau à graver [6]. Cette recherche a été financée par les collectivités locales (Nano 2008, Nano 2012, Nano 2017) et les programmes du ministère de l’industrie (MEDEA, CATRENE) ainsi que le projet européen FP7-MD3

Références :

[1] Characterization of resist-trimming processes by quasi in-situ x-ray photoelectron spectroscopy, E. Pargon et al, J. Vac. Sci. Technol. B 22, 1869, (2004).< 10.1116/1.1767038>
[2] Spectral analysis of sidewall roughness during resist-core self-aligned double patterning integration, E. Dupuy, E. Pargon, et al., J. Vac. Sci. Technol. B 34, 051807 (2016).<0.1116/1.4962322>
[3] Mechanisms involved in HBr and Ar cure plasma treatments applied to 193 nm Photoresists, E. Pargon et al, J. Appl. Phys 105, 094902, (2009). <10.1063/1.3116504>
[4] Plasma impact on 193 nm photoresist linewidth roughness: Role of plasma vacuum ultraviolet light, E. Pargon et al., Appl. Phys. Lett 94, 103111 (2009) <10.1063/1.3094128>
[5] Design of new block−copolymer systems to achieve thick−films with defect−free structures for applications of DSA into lithographic large nodes, X. Chevalier et al, J. Advances in patterning materials and processes XXXIII, Proceedings of SPIE 9779, pp 977913, (2017)
[6] Pulsed Transfer Etching of PS-PDMS Block Copolymers Self-Assembled in 193 nm Lithography Stacks, C. Girardot et al, ACS applied materials & interfaces 6, 16276-16282 (2014), <10.1021/am504475q>

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