Détermination d’un critère d’impression de défauts à partir d’un modèle 3D

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INTRODUCTION

Depuis l’invention du premier transistor bipolaire en 1947 par trois chercheurs du laboratoire Bell, William Shockley, John Barden et Walter Brattain, l’ère de la microélectronique est passée du stade du prototypeà celui de la production à grande échelle. Les nouvelles technologies se sont banalisées et font à présent partie intégrante de notre mode de vie. Ce sont les progrès réalisés, notamment enterme de résolution, qui ont rendu possible l’évolution des circuits imprimés vers les circuitsintegrés, en augmentant le nombre de transistors par unité de surface. Cette évolution ed la densité d’intégration est gouvernée par la loi de Moore qui postulait en 1965 le doublement de la densité des composants tous les 18 mois. Encore aujourd’hui cette loi sert de modèle de croissance à l’industrie microélectronique même si sa pente diminue devantel poids des difficultés technologiques (délai dans l’introduction de nouvelles techniques lithographiques, coût grandissant de la réalisation des circuits intégrés). Ce ralentisseme se traduit par l’introduction d’une nouvelle génération de composants tous les 30 à 36 mois. L’étape clé de l’industrie des semi-conducteurs a oujourst été la lithographie ; c’est elle qui définit la densité maximale possible de composants par unité de surface. En effet l’augmentation d’intégration permet aux circuits à surface égale de réaliser des tâches plus complexes pour un coût de fabrication similaire. La dimension minimale des dispositifs est généralement définie par la largeur de la grille d’un transistor MOS, appelée le CD (Critical Dimension). De nos jours on parle de générations 90 nm ou 65nm pour la largeur de grille des circuits intégrés. Au-delà des performances des circuits intégrés, le facteur économique est d’une importance capitale pour le devenir de l’industrie des semi-conducteurs. En effet la course à la miniaturisation passe par des systèmes et des procédés lithographiques onéreux de plus en plus complexes. Là où auparavant il suffisait de di minuer le longueur d’onde d’insolation ou d’augmenter l’ouverture numérique, on a maintenant recours à des techniques d’amélioration de résolution (RET pour Resolution Enhancement Technique) afin de continuer à suivre l’évolution prédite par Gordon Moore. Aujourd’hui,le coût de la lithographie représente plus de 35 % du coût de fabrication des puces. L’augmentation incessante du coût des machines lithographiques est reconnue, aujourd’hui, comme étant un des facteurs limitant la progression des générations technologiques. ix INTRODUCTION Devant cette limite économique et technologique, les industriels n’ont d’autre recours que de se regrouper et de mettre en commun leurs ressources pour poursuivre la constante diminution des dimensions critiques en lithographie. Ainsi les dix dernières années ont vu l’émergence de techniques de lithographie de nouvelle génération (NGL pour Next Generation Lithography) qui ont pour but de remplacer la lithographie optique « classique » pour les futures générations de circuits intégrésAujourd’hui. on peut distinguer cinq techniques en lice qui ont chacune des arguments convaincants pour une utilisation dans un milieu industriel. La première partie de ce mémoire, découpée en deuxchapitres, permet d’avoir un état de l’art des solutions technologiques envisageables. Le chapitre 1 est dédié à la description de ces différentes techniques de lithographie de nouvelle génération. Elles sont optique, électronique ou mécanique et l’on peut les distinguer en deux catégories selon leur aptitude à une production à grande échelle. Le chapitre 2 se consacrera à une de ces techniques en partculier, utilisant un rayonnement dans l’extrêmeutlraviolet (EUV), et qui permet d’obtenir des résolutions agressives allant jusqu’à 22 nm voire en-dessous. Bien que cette technique présente un potentiel très intéressant pour une utilisation industrielle, nous verrons qu’il reste encore un bon nombre de points critiques à résoudre en raison de la compléxité de ce système de lithographie. L’un des points limitants de cette technique concerne les masques EUV qui sont constitués d’un empilement multicouche afin de les rendre réflecteurs à la longueur d’onde d’exposition EUV. En effet, au regard de la longueur d’onde d’insolation utilisée (longueur d’onde EUV, = 13,5 nm) le moindre défaut présent lors de la réalisation des masques peut avoir des conséquences catastrophiquessur les motifs insolés. Le sujet de cette thèse porte sur les problèmes liés à la présence de ces défauts en terme de procédé de lithographie, de réalisation des masqueset de métrologie. Pour cela nous avons abordé le problème selon trois critères : comprendr comment ces défauts s’impriment lors de l’étape de lithographie, connaître le mode de croissance des défauts dans les masques EUV, et savoir si l’on peut élaborer des techniques susceptibles de sonder les masques afin d’en détecter la présence de défauts. La deuxième partie de ce mémoire tente d’apporter des éléments de compréhension sur le problème des défauts dans les masques EUV. Nous nous proposons d’aborder ce problème par le biais de simulations électromagnétiques afin de comprendre les mécanismes d’impression. Pour cela nous verrons qu’en premier lieu le choix de la méthode de calcul électromagnétique est primordiale car les résultatsobtenus et les interprétations qui en découlent sont souvent fortement influencés par cechoix. A partir des résultats obtenus grâce à une méthode électromagnétique rigoureuse, nous verrons que les mécanismes d’impression des défauts dans les masques sont liés à des effets de perturbation de l’empilement multicouche du masque EUV et de non respect des conditions de réflexion de Bragg. Dans un nouveau chapitre, nous avons étudié différentes approches technologiques dans le but de réaliser des échantillons avec des défauts rogrammésp. La difficulté de réalisation de tels échantillons réside dans le fait que l’on doitréaliser des structures avec des tailles de x INTRODUCTION quelques dizaines de nanomètres et être capable deles repérer. Pour cela, des techniques de lithographie et de gravure, mais également des techniques novatrices comme la croissance de nano-cristaux de silicium ont été mises au point. Lors de cette thèse nous avons également réalisé un masque EUV avec des défauts programmésarp le biais d’une méthode de fabrication originale qui consiste à réaliser les défauts sur substrat de silicium puis de les reporter sur un support de quartz. Ce masque EUV à défauts programmés nous a permis d’appréhender la manière dont ces défauts s’impriment. Pour cela nous avons eu accès au Micro Exposure Tool (MET) au synchrotron Advanced Light Source (ALS) à Berkeley, Etats-Unis, où nous avons pu réaliser l’exposition de notre masque à défauts programmés. Les résultats expérimentaux obtenus durant cette campagne ont pu être comparé avec nosmodèles théoriques et a permis de mettre en évidence l’influence du flare sur l’impression des défauts. Nous montrerons également qu’un défaut d’une dizaine de nanomètres présent sur le masque est susceptible d’être imprimé lors de l’étape de lithographie. Les modes de croissance des défauts dans un multicouche EUV ont également été étudiés afin d’en ressortir un modèle de croissance empirique. Pour cela nous avons réalisé des échantillons dédiés de défauts programmés de différentes tailles. La déformation du multicouche en présence d’un défaut a été caractérisée par mesures au microscope à force atomique (AFM) réalisées à différentes étapes de lafabrication de l’empilement multicouche. A partir de ce modèle nous verrons qu’il est possible d’atténuer l’effet des défauts présents au sein de l’empilement multicouche en jouant sur des paramètres de lissage. Enfin, dans un dernier chapitre nous décrirons une technique de microscopie que nous avons mise au point au synchrotron Elettra en Italie. Cette technique est basée sur une méthode de microscopie en champ sombre à balayage utilisant une longueur d’onde EUV ( = 13,1 nm) et qui permet de sonder la structure de l’empilement multicouche. Nous verrons qu’avec cette technique il est possible de détecter des défauts de quelques nanomètres de hauteur et d’une dizaine de nanomètres de largeur enterrés sous un empilement de quarante paires de molybdène – silicium. De plus il nous a été possible de mettre au point une méthode de simulation de cette technique en se basant sur le principe de retour inverse de la lumière afin de modéliser le dispositif expérimental.

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