La photolithographie en microélectronique

Les transistors sont les briques de base constituant les puces électroniques

 La miniaturisation des composants selon la loi de Moore [1] implique l’intégration de transistors de plus en plus petits. Chaque microprocesseur contient maintenant des milliards de transistors. Pour des raisons de coût de fabrication, ils ne peuvent évidemment être fabriqués unitairement et sont donc réalisés simultanément sur des wafers qui peuvent accueillir des centaines de microprocesseurs complets. Les transistors et circuits intégrés sont ainsi réalisés par une succession d’opérations de dépôts de matière et de gravures, couche par couche. Afin de contrôler la géométrie des dépôts et gravures, ces derniers sont réalisées au travers d’une couche de résine recouvrant les parties à protéger (Fig. 1.1). Le motif à graver est précédemment imprimé dans la résine par un procédé de photolithographie séparé en 3 étapes : – dépôt d’une couche de résine photosensible uniforme sur le wafer – exposition de la résine au travers d’un masque – enlèvement de la résine exposée (ou non exposée). La taille des composants fabriqués dépend donc fortement de la précision avec laquelle l’image du masque est faite dans la résine lors de l’étape d’exposition. L’amélioration du pouvoir de résolution des optiques de projection des scanners de photolithographie est donc un élément central dans les avancées de miniaturisation en microélectronique

Pouvoir de résolution des optiques de projection

Le pouvoir de résolution est défini à l’aide du critère de la dimension critique atteignable (Critical Dimension, « CD »), qui est la plus petite dimension que peut résoudre l’optique de projection : CD = k1 λ NA (1.1) où λ est la longueur d’onde d’émission de la source, NA l’ouverture numérique de l’optique de projection et k1 un paramètre dépendant du procédé et des paramètres opératoires. Suivant les objectifs de dimension critique recherchés (planifiés chaque année sur une période de 10 ans par l’International Technology Roadmap for Semiconductors [3]), on dispose donc de 3 variables d’optimisation.

Longueur d’onde de la source

Le pouvoir de résolution dépend linéairement de la longueur d’onde de la source choisie. La mise au point de nouvelles sources de longueur d’onde plus faible est donc une première source évidente d’amélioration du pouvoir de résolution des scanners de lithographie. Les première sources étaient des lampes à vapeur de mercure dont les longueurs d’onde d’émission peuvent aller de 436 à 365 nm suivant la raie d’émission sélectionnée. Actuellement les lasers excimères DUV (Deep Ultra-Violet) à 193 nm permettent de réaliser les transistors les plus fins des processeurs. Une nouvelle génération de machines travaillant à une longueur d’onde EUV (Extrême Ultra-Violet) de 13.5 nm est en cours de développement.

Facteur k1

 Le facteur k1 intègre divers paramètres liés au procédé et aux conditions opératoires. Sa limite physique est 0.25 (k1 ≥ 0.25). De nombreux moyens permettent d’approcher cette limite physique. Ils sont appelés technologies d’amélioration de la résolution (Resolution Enhancement Technologies) [5]. On peut citer notamment : – les masques à décalage de phase dont le rôle est de créer des interférences destructives pour améliorer le contraste sur le wafer – l’illumination hors d’axe qui permet d’augmenter la profondeur de champ tout en conservant la même résolution – la correction optique de proximité (Optical Proximity Correction) qui modifie légèrement les motifs des masques de manière à prendre en compte la difficulté naturelle des scanners à résoudre certaines formes géométriques (angles droits par exemple) – l’exposition multiple qui permet de séparer les motifs à graver en deux masques pour prendre au contraire avantage de la facilité naturelle des scanners à résoudre des motifs plus simples. 

Ouverture numérique Augmentation de NA 

Le terme NA contient de nombreux aspects liés à la qualité des optiques. L’ouverture numérique est définie comme l’angle maximal du 3 1. Introduction rayon le plus écarté arrivant sur le wafer, multiplié par l’indice de réfraction du milieu séparant l’optique de projection du wafer (Fig. 1.2). Afin de maximiser l’ouverture numérique, les systèmes se sont comFigure 1.2 – Définition de l’ouverture numérique. plexifiés et font intervenir des optiques de plus en plus grandes (Fig. 1.3, [6]) et de plus en plus précises (écart sub-nanométrique par rapport à la forme théorique). La technologie de photolithographie en immersion permet en outre de jouer sur l’indice de réfraction du milieu, et le passage de l’air à l’eau pure a ainsi permis d’augmenter l’ouverture numérique maximale de 0.9 environ à 1.35 [7]. Un autre moyen d’améliorer l’ouverture numérique est d’utiliser des lentilles asphériques. Figure 1.3 – Évolution des optiques de projection. 

Lentilles asphériques 

Les lentilles sphériques généralement utilisées entraînent naturellement diverses aberrations optiques qui déforment l’image du masque réalisée sur les wafers. Pour corriger ces aberrations, la solution est 4 1.3. Contexte de la thèse d’ajouter d’autres lentilles sphériques de telle façon que les aberrations s’annulent. Cependant, une optique non sphérique bien choisie peut permettre de limiter ces aberrations. Ces surfaces qui présentent un écart par rapport à la sphère sont dites asphériques. Le corollaire de la bonne correction des aberrations par les optiques asphériques est la possibilité d’augmenter l’ouverture numérique et de diminuer le nombre de lentilles nécessaires dans un système optique (Fig. 1.4, [8]), tout en conservant la même qualité optique. ⇒ La qualité optique, le poids et l’encombrement sont ainsi favorablement impactés par l’utilisation de lentilles asphériques. Ces lentilles restent cependant difficiles à fabriquer avec une précision suffisante et leur usage reste pour l’instant limité.