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Mรฉthodes de contrรดle de lโorientation de la morphologie du film mince
Dans le contexte dโune utilisation de structures auto-assemblรฉes de copolymรจre dibloc pour la lithographie, le contrรดle du jeu des รฉnergies aux interfaces doit donc รชtre maรฎtrisรฉ et reproductible. Il faut effectivement garantir que la morphologie choisie soit orientรฉe uniformรฉment dans lโรฉpaisseur du film pour quโelle puisse รชtre transfรฉrรฉe dans les matรฉriaux du substrat avec fidรฉlitรฉ. Dans le cas dโun copolymรจre cylindrique, lโapplication visรฉe va entiรจrement dรฉpendre de la capacitรฉ ร contrรดler sur demande une orientation soit dans le plan (ligne/espace pour un transistor) ou hors du plan (trou de contact). Ce point est dโautant plus critique pour les morphologies lamellaires, puisque parmi toutes les configurations envisagรฉes avec la figure I-14, seules les structures orientรฉes hors du plan grรขce ร une configuration non prรฉfรฉrentielle aux deux interfaces possรจdent un intรฉrรชt en lithographie (ligne/espace pour un transistor).
Lโune des mรฉthodes de contrรดle des interactions avec le substrat les plus connues a รฉtรฉ imaginรฉe par le travail de Mansky et al. [MLHR97] sur le greffage de copolymรจre, et utilisรฉe expรฉrimentalement pour la premiรจre fois par Russel et al. [RTTH00]. Dans le cas dโun assemblage PS-b-PMMA lamellaire, lโidรฉe consiste ร rรฉaliser des films de copolymรจre statistique PS-r-PMMA insรฉrรฉs entre le substrat et le copolymรจre dibloc. Comme le montre la figure I-17, la fraction de monomรจre styrรจne dans ce film peut รชtre choisie pour que son รฉnergie dโinteraction avec les deux blocs soit รฉquivalente ( / = / ). Il rรฉsulte un mouillage non prรฉfรฉrentiel ร cette interface (dite ยซ neutralisรฉe ยป par abus de langage) qui permet des morphologies orientรฉes hors du plan du substrat.
La mรฉthode du greffage (ยซ graft to ยป en anglais) est celle historiquement dรฉveloppรฉe pour fixer ces films intermรฉdiaires sur le substrat et empรชcher leur retrait par le solvant de dissolution du copolymรจre dibloc pendant le dรฉpรดt. Elle consiste ร introduire des terminaisons hydroxyles en fin de chaรฎnes PS-r-PMMA qui peuvent subir des rรฉactions de dรฉshydration avec la surface de certains substrats (par exemple, les liaisons silanols en surface dโun oxyde de silicium). Des liaisons fortes sont ainsi crรฉรฉes et les chaรฎnes adoptent des conformations en pelote ou en brosse (dโoรน lโappellation de couche ยซ brush ยป). Les films formรฉs ont lโavantage dโรชtre dโรฉpaisseur maรฎtrisรฉe (la quantitรฉ de chaรฎnes greffรฉes est fonction du nombre de sites rรฉactifs et de la taille des chaรฎnes [ILPN06, S.]) et insensibles au solvant de dรฉpรดt. De plus, cette interface en brosse est pรฉnรฉtrable par les chaรฎnes du dibloc ce qui facilite le mouillage et lโadhรฉsion [MLHR97]. Reste lโinconvรฉnient que le greffage nโest possible que sur certains types de surfaces, ce qui limite la versatilitรฉ de son usage. A noter que la rรฉticulation thermique de PS-r-PMMA en film dense et insoluble a รฉgalement รฉtรฉ dรฉmontrรฉe comme viable [RSDH05] grรขce ร lโutilisation dโun agent rรฉticulant (type benzocyclobutene).
En ce qui concerne lโinterface supรฉrieure, le PS-b-PMMA possรจde lโavantage dโรชtre composรฉ de deux monomรจres dont lโรฉnergie dโinteraction avec lโair est pratiquement รฉquivalente sur une gamme de tempรฉrature comprise entre 170 et 250ยฐC [HaSi01, MoJa97], ce qui facilite grandement sa disposition dans des configurations non-prรฉfรฉrentielles. Ceci est rarement le cas pour la plupart des matรฉriaux ยซ highฯ ยป puisque tout leur intรฉrรชt repose sur des monomรจres possรฉdant des รฉnergies dโinteractions les plus opposรฉes possibles. Dans le cas dโun PDMS-b-PS par exemple, le bloc riche en silicium voudra toujours รฉtablir un mouillage prรฉfรฉrentiel avec lโair [ATLA01]. Pour รฉviter ces problรจmes dโinteractions avec lโair, lโutilisation dโune couche de revรชtement (TC, ou ยซ top-coat ยป en anglais) dรฉposรฉe entre la surface supรฉrieure du dibloc et lโair est communรฉment utilisรฉe. Plusieurs mรฉthodes plus ou moins sophistiquรฉes existent dans la littรฉrature pour faire en sorte que cette TC assure la neutralisation de lโinterface supรฉrieure pendant la microsรฉparation de phase du ยซ high ฯ ยป. En 2012 le groupe de Grant Wilson a publiรฉ lโinvention dโune TC ร inversion de polaritรฉ [BTMD12] qui a permis lโorientation hors du plan de lamelles de PS-b-PTMSS-b-PS et PTMSS-b-PLA avec succรจs. Il nโexiste pas aujourdโhui de solution TC universelle dont les propriรฉtรฉs de production, de rรฉpรฉtabilitรฉ et dโuniformitรฉ auraient รฉtรฉ dรฉmontrรฉes viables ร lโรฉchelle des exigences industrielles.
Cinรฉtiques et dรฉfectivitรฉ : recuit thermique ou en vapeur de solvant
Pour rรฉaliser des films minces dโรฉpaisseur contrรดlรฉe, la mรฉthode du dรฉpรดt par enduction centrifuge est la plus rรฉpandue. Le copolymรจre en solution est dรฉposรฉ en quantitรฉ fixรฉe sur le substrat ร recouvrir et, par rotation du support (ร vitesse et accรฉlรฉration connue) un film uniforme est rรฉalisรฉ. Lโรฉpaisseur finale est donc dรฉpendante de la concentration de la solution en matiรจre polymรจre et des paramรจtres de rotation (plus de dรฉtails sont prรฉsentรฉs dans le chapitre II.2). Lors de cette รฉtape, de nombreux facteurs (choix du solvant, gonflement prรฉfรฉrentiel des chaรฎnes, vitesse dโรฉvaporation du solvant, arrangement en micellesโฆ) vont propager un ordre dans lโarrangement des chaรฎnes [Morr15]. Bien quโil ne soit pas ร lโรฉquilibre thermodynamique idรฉalement dรฉcrit plus tรดt, cet ordre initial est piรฉgรฉ par la cinรฉtique ralentie des chaรฎnes entremรชlรฉes. Il est donc nรฉcessaire dโeffectuer un recuit du matรฉriau aprรจs son dรฉpรดt en couche mince pour retourner ร lโordre dictรฉ par la seule microsรฉparation de phase thermodynamique.
Le recuit thermique propose simplement dโutiliser lโagitation thermique (augmentation de la tempรฉrature au-dessus de la tempรฉrature de transition vitreuse Tg du copolymรจre) afin de fournir la mobilitรฉ suffisante aux chaรฎnes et accรฉlรฉrer la cinรฉtique menant ร la microsรฉparation de phase. Un recuit thermique participe grandement ร lโรฉlimination des dรฉfauts dans la morphologie du CPB. Plusieurs รฉtudes de simulation ont en effet dรฉmontrรฉ que lโรฉnergie libre ฮF associรฉe ร un dรฉfaut est dโun ordre de grandeur deux fois supรฉrieur ร kbT, ce qui devrait empรชcher leur formation spontanรฉe. En revanche, dans le rรฉgime de forte sรฉgrรฉgation (ฯN>100), la barriรจre dโรฉnergie libre ฮFb associรฉe ร la destruction de ces dรฉfauts est plus รฉlevรฉe que kbT : les dรฉfauts sont mรฉtastables, ils ne peuvent pas รชtre spontanรฉment dรฉtruits par les fluctuations thermiques [LNPM14][LiMรผ16]. Ils sont piรฉgรฉs par les mรชmes phรฉnomรจnes ร lโorigine de la microsรฉparation de phase (rรฉpulsion des blocs et entropie de conformation). Lโaugmentation de la tempรฉrature T diminue la valeur effective de ฯ en se rapprochant de la TODT (quโelle ne doit pas dรฉpasser pour conserver la microsรฉparation de phase). Les simulations montrent quโร lโapproche du rรฉgime de faible sรฉgrรฉgation (autour de ฯNโ30), la barriรจre dโรฉnergie libre ฮFb ร franchir pour annihiler les dรฉfauts devient nulle : ils ne sont plus thermodynamiquement mรฉtastables (car ฮF>> kbT). De plus, lโinterface entre les phases devient floue, la possibilitรฉ pour les chaรฎnes de se rรฉarranger est plus grande, et donc la cinรฉtique dโannihilation des dรฉfauts augmente [LiMรผ16]. Voilร pourquoi un recuit haute tempรฉrature, avoisinant TODT permet de rรฉaliser des morphologies moins dรฉfectueuses plus rapidement.
Expรฉrimentalement, ce nโest pas toujours rรฉalisable puisquโil ne faut pas dรฉpasser la tempรฉrature de dรฉgradation des matรฉriaux qui est parfois infรฉrieure ร la TODT comme cโest le cas pour beaucoup de matรฉriaux ยซ high ฯ ยป. Dans ces conditions particuliรจres, il faut donc compenser par de long temps de recuit (heures ou jours) pour atteindre de faibles taux de dรฉfauts et le recuit thermique nโest alors plus une solution adaptรฉe.
Dans tous les cas, la morphologie alors obtenue est figรฉe lors du refroidissement ร une tempรฉrature trรจs infรฉrieure ร la TODT puis Tg (retour ร un rรฉgime de forte sรฉgrรฉgation puis perte de mobilitรฉ des chaรฎnes). Cette mรฉthode de recuit reste la plus compatible avec les รฉquipements 300mm et les exigences de rendement de lโindustrie microรฉlectronique.
Le recuit sous vapeur de solvant (ou SVA pour solvant annealing) utilise la capacitรฉ des solvants en phase vapeur ร faire augmenter le volume libre des chaรฎnes du film copolymรจre, rรฉduisant effectivement la Tg du systรจme et augmentant leur mobilitรฉ [KAPL13]. Ainsi il est possible dโaccรฉlรฉrer les cinรฉtiques de sรฉparation de phases pour T<Tg. Aussi, le choix du solvant peut permettre de gonfler prรฉfรฉrentiellement un des blocs et ainsi favoriser une morphologie (modification des fractions volumiques)[JuRo09], dรฉclencher une orientation prรฉfรฉrentielle lors de son รฉvaporation (mรฉcanisme de front de propagation du gradient de solvant dans lโรฉpaisseur) [KHLK02][PFCG14] ou mรชme rรฉduire le ฯeffectif par รฉcrantage des blocs [HaLH00][LHPA03]. Enfin, la saturation en solvant ร lโinterface supรฉrieure du film (habituellement lโair) peut permettre de mitiger les diffรฉrences dโรฉnergies dโinteraction des deux blocs et ainsi favoriser un mouillage non prรฉfรฉrentiel mรชme dans le cas des matรฉriaux ยซ high ฯ ยป [SGBA14][HTFC05]. La combinaison complexe de tous ces mรฉcanismes permet ร certains systรจmes diblocs de tendre vers un degrรฉ dโordre rarement accessible avec le recuit thermique. Aujourdโhui les promesses du SVA ne sont pas encore applicables ร lโรฉchelle industrielle en raison dโun temps de cycle trop long, du manque de stabilitรฉ du procรฉdรฉ, et de la nรฉcessitรฉ dโรฉquipements 300mm spรฉcifiques. Des premiers essais associant recuit thermique et SVA ont vu le jour dans le but dโassocier le meilleur de ces deux mรฉthodes, mais ils restent au stade de dรฉveloppement [CMAS16].
Dโautres mรฉthodes de recuit ont รฉtรฉ dรฉveloppรฉes comme le recuit laser haute tempรฉrature [JPJL17] ou le recuit par micro-ondes [ZHWM10], mais elle restent encore marginales et loin dโune pleine compatibilitรฉ avec les exigences de la microรฉlectronique.
DSA : lโauto-assemblage dirigรฉ pour la lithographie
Ordre ร longue distance
La clรฉ dโune lithographie rรฉussie rรฉside dans sa capacitรฉ ร localiser prรฉcisรฉment la position de chaque motif dโintรฉrรชt sur une plaque, et de sโaligner pour superposer le rรฉsultat de trรจs nombreuses รฉtapes de structuration. Pour รชtre utilisรฉes dans la conception de dispositifs de circuits intรฉgrรฉs, des structures rรฉguliรจres doivent donc pouvoir exister sur plusieurs micromรจtres de surface. Un film mince de copolymรจre ร blocs seul ne peut pas y parvenir. Par analogie avec les matรฉriaux mรฉtalliques, la structuration de la microsรฉparation de phase se rรฉpand en grains de quelques centaines de nanomรจtres ร partir de point de nuclรฉation, avec chacun une direction dโalignement des blocs qui lui est propre. La pรฉnalitรฉ รฉnergรฉtique de cette coexistence de grains est nรฉgligeable en termes dโรฉnergie libre [Morr15]. La figure I-18 montre par exemple la surface dโun PS-b-PMMA cylindrique de 35nm de pรฉriode assemblรฉ hors du plan du substrat et pour lesquels diffรฉrents grains de maille hexagonale sont visibles.
Diffรฉrentes mรฉthodes ont donc รฉtรฉ dรฉveloppรฉes pour diriger lโalignement des morphologies sur de longues distances en fournissant un fort contraste dโรฉnergie libre entre une zone alignรฉe et une zone non-alignรฉe. Ces mรฉthodes sont regroupรฉes sous lโappellation dโauto-assemblage dirigรฉ, ou DSA (Directed Self-Assembly), et diffรจrent dans leur faรงon dโimposer cette information dโorientation. Des mรฉthodes dโalignement exotiques utilisent par exemple la pointe dโun รฉquipement AFM pour structurer une surface attractive pour un bloc [FELF14], dโautres appliquent des forces de cisaillement [AWAD04, PKCR12], ou encore le recuit de zone inspirรฉ des mรฉthodes pour produire des mรฉtaux de grande puretรฉ cristallographique [BBDJ07]. Cependant deux archรฉtypes sont largement reprรฉsentรฉs dans la littรฉrature de par leur fiabilitรฉ, leur maturitรฉ et leur utilisation compatible avec lโindustrie dรฉjร en place. Il sโagรฎt de la chemoepitaxie et de la graphoepitaxie. Leur philosophie commune est dโutiliser lโalignement parfait dโune lithographie conventionnelle maรฎtrisรฉe (approche top-down) pour que la microsรฉparation de phase du copolymรจre ร blocs (approche bottom-up) le reproduise ร plus petite rรฉsolution et densitรฉ.
Auto-assemblage dirigรฉ par contrainte chimique (chemoepitaxie)
En chรฉmoepitaxie, lโinformation dโalignement est inscrite dans lโinterface avec le substrat sur lequel le copolymรจre ร blocs est dรฉposรฉ. Comme indiquรฉ sur la figure I-19, des zones rectilignes sont crรฉรฉes sur un substrat dont la chimie dโinterface est modifiรฉe pour forcer le mouillage prรฉfรฉrentiel dโun des blocs du copolymรจre dibloc (AB) utilisรฉ. Ces bandes de guidage jouent alors le rรดle dโancrage, une condition limite ร partir de laquelle un ordre et une orientation longue distance sโรฉtablissent. Dans le concept de base, toute la surface du substrat est modifiรฉe. Les bandes attractives au bloc A sโalternent avec celles attractives au bloc B selon une pรฉriode (Ps) รฉgale ร celle du CPB ร organiser (PBCP ou L0). Lโobjectif est donc de produire sur le substrat lโorientation exacte des motifs, ร lโรฉchelle 1:1, que lโon souhaite voir reproduite par le CPB. Cette mรฉthode offre un intรฉrรชt limitรฉ en lithographie puisque la rรฉsolution et la densitรฉ extrรชmement agressive nรฉcessaire pour crรฉer ce contraste chimique sur le substrat nullifient les intรฉrรชts initiaux du DSA. En revanche, il est envisageable de choisir une approche oรน un seul type de bandes attractives (soit au bloc A ou au bloc B) est nรฉcessaire. Celles-ci jouent toujours le rรดle de condition limite pour lโorientation du CPB en contact. Pour propager lโorientation des motifs entre ces bandes, le reste du substrat est maintenu non prรฉfรฉrentiel, ou neutre, pour les deux blocs. Ces zones libres, moins contraintes, permettent de propager lโorientation dโalignement par effet de proche en proche mรชme si les bandes attractives sont espacรฉes dโune pรฉriode Ps รฉgale ร un nombre entier de fois la pรฉriode intrinsรจque PBCP (pour respecter la commensurabilitรฉ).
Figure I-19 Schรฉma de principe de la chemoepitaxie. A/ Le substrat est modifiรฉ de faรงon ร reproduire de maniรจre rectiligne les dimensions (ร lโรฉchelle 1:1) et les diffรฉrences chimiques des deux phases (rouge et bleu) du dibloc, et ainsi forcer son orientation. Cette approche a peu dโintรฉrรชt en lithographie car les difficultรฉs de rรฉsolution et de densitรฉ solutionnรฉes par le DSA sont reportรฉes sur la rรฉalisation du substrat. B/ Le substrat majoritairement non prรฉfรฉrentiel (vert) pour les deux blocs du CPB est structurรฉ avec des bandes attractives pour un seul des blocs. Ces bandes peuvent รชtre espacรฉes dโune distance ยซ Ps ยป รฉgale ร plusieurs fois la pรฉriode ยซ PBCP ยป du polymรจre et continuer ร propager lโorientation linรฉaire au-dessus des zones ยซ neutres ยป. [CRSK08] Des procรฉdรฉs permettant dโorganiser des copolymรจres ร blocs ร partir dโune chemoepitaxie ร Ps = 2*L0 ou 3*L0 ont รฉtรฉ dรฉveloppรฉs. La mรฉthode principalement รฉtudiรฉe dans le cas dโapplication ligne/espace (dispositifs et interconnections) est basรฉe sur le travail fondateur de Nealey et al. [RKDD08]. Sur une idรฉe originale initialement รฉtudiรฉe ร lโUniversitรฉ du Wisconsin [LNRH10], ce travail a donnรฉ lieu en 2011 au premier procรฉdรฉ dโintรฉgration ligne/espace dโun matรฉriau PS-b-PMMA lamellaire largement admis comme viable [LHOT11], appelรฉ procรฉdรฉ ยซ LiNe ยป, par la suite dรฉveloppรฉ puis amรฉliorรฉ en coopรฉration avec lโImec [RGTW12].
Briรจvement, le principe du procรฉdรฉ ยซ LiNe ยป en figure I-20 consiste ร utiliser une lithographie 193nm immersion pour transfรฉrer des motifs ligne/espace (pรฉriode autour de 75-80nm) de rรฉsine dans un film de polystyrรจne rรฉticulรฉ (XPS) sous-jacent (รฉtapes A-B). Un plasma ร base dโoxygรจne est utilisรฉ pour rรฉduire de maniรจre contrรดlรฉe et uniforme les dimensions de la rรฉsine transfรฉrรฉe (opรฉration de ยซ trimming ยป) et oxyder les flancs de matiรจre XPS non protรฉgรฉe par la rรฉsine (รฉtapes C-D). La rรฉsine est retirรฉe lorsque les motifs ligne/espace transfรฉrรฉs dans le XPS ont รฉtรฉ rรฉduits ร un CD dโenviron 0,5*L0, avec L0 la pรฉriode intrinsรจque du copolymรจre ร blocs utilisรฉ (environ 24 nm dans ce travail). Entre les structures de XPS restantes est dรฉposรฉ et greffรฉ un PS-r-PMMA conรงu pour รชtre non prรฉfรฉrentiel aux deux blocs (รฉtape E). La structure finale se compose donc dโune surface majoritairement non prรฉfรฉrentielle (assemblage des lamelles hors du plan) parsemรฉe rรฉguliรจrement de bande XPS trรจs hydrophobes fortement attractives pour le bloc PS qui est contraint ร positionner une phase PS le long de ces bandes (information chimique de direction). Il est aussi dรฉmontrรฉ que lโespacement Ls de ces bandes XPS doit rester commensurable avec le L0 du copolymรจre pour maintenir un ordre longue distance acceptable. La qualitรฉ de lโordre diminue lorsque le ratio Ls/L0 augmente et une marge de variabilitรฉ de 10% par rapport ร la commensurabilitรฉ idรฉale est supportรฉe pour un ratio de 1.
Comme reprรฉsentรฉ sur la figure I-20, les sociรฉtรฉs IBM et AZchemical ont chacune dรฉveloppรฉ un procรฉdรฉ de chemoรฉpitaxie, respectivement en rupture et en continuitรฉ avec le procรฉdรฉ LiNe, dans lโoptique de relรขcher la contrainte de rรฉsolution ร lโรฉtape de lithographie initiale : Le procรฉdรฉ IBM, appelรฉ procรฉdรฉ ยซ lift-off ยป, rรฉalise une lithographie de rรฉsine positive plus relรขchรฉe ร Ls =2*L0 ou 3*L0. Un PS-r-PMMA est ensuite greffรฉ entre et sur les motifs de rรฉsine prรฉalablement traitรฉs pour devenir insolubles au solvant de dรฉpรดt (inversion de tonalitรฉ)[CSTH10]. Les blocs de rรฉsine sont ensuite retirรฉs et toute la matiรจre greffรฉe ร leur surface disparaรฎt รฉgalement (principe du lift-off). Ne reste que des larges bandes non prรฉfรฉrentielles entre lesquelles le substrat, gรฉnรฉralement un oxyde hydrophile, peut attirer prรฉfรฉrentiellement un des deux blocs du copolymรจre. Ce procรฉdรฉ a dรฉmontrรฉ รชtre entiรจrement compatible avec les รฉquipements 300mm de lโindustrie sur la ligne pilote de lโImec [Gron11].
Le procรฉdรฉ SMART dโAZ annoncรฉ en 2013 [KWMY13] suit le mรชme principe de lithographie relรขchรฉ quโIBM ร la diffรฉrence quโil structure directement le PS-b-PMMA (rรฉticulรฉ pour supporter les diffรฉrents traitements) ร travers la rรฉsine. Aussi, un hPS est sรฉlectivement greffรฉ entre les bandes de brush pour rรฉaliser un guidage complet (similaire LiNe) qui nโest pas dรฉpendant de la nature du substrat (au contraire dโIBM).
Ces derniรจres annรฉes toute la littรฉrature en chemoepitaxie sโest servie de ces trois bases de travail pour dรฉvelopper des preuves de transfert [CTPR14], effectuer des รฉtudes de simulation et de caractรฉrisation [StMM15], rรฉaliser la lithographie de diffรฉrents motifs utiles en circuit imprimรฉ [WLCG14] ou encore corriger des structures EUV dรฉfectueuses [SCCL14].
Rรฉcemment, il a รฉtรฉ dรฉmontrรฉ lโimportance capitale des flancs de XPS oxydรฉs pendant lโouverture plasma du procรฉdรฉ LiNe [WSCS16]. Ces zones trรจs hydrophiles (prรฉfรฉrentielles PMMA) crรฉent un fort contraste chimique supplรฉmentaire et servent tout autant ร lโinformation dโorientation que le XPS intact. Au contraire des procรฉdรฉs IBM ou AZ, cette chemoepitaxie LiNe nโest donc pas gรฉnรฉrรฉe par une contrainte de seulement deux mais bien de trois zones de tonalitรฉs (prรฉfรฉrentielle PS, prรฉfรฉrentielle PMMA, et non prรฉfรฉrentielle). Ce contraste chimique plus complexe, plus directif rรฉvรจle toute son importance puisquโil pourrait expliquer pourquoi, au-delร de la seule commensurabilitรฉ, la dรฉfectivitรฉ du LiNe reste aujourdโhui bien meilleure que celle des deux autres procรฉdรฉs [SGHN12].
Auto-assemblage dirigรฉ par contrainte topologique (graphoepitaxie)
En graphoepitaxie, lโinformation dโalignement provient du confinement mรฉcanique exercรฉ par la topographie 3D du substrat. Le copolymรจre rempli une cavitรฉ dont les surfaces vont guider son orientation lors de sa microsรฉparation de phase. Le travail initiรฉ par Segalman et al. a ainsi pu montrer dรจs 2001 la crรฉation (sur plusieurs microns) dโun unique grain de sphรจre PS-b-PVP en maille hexagonale par graphoepitaxie [SeHK01].
Lโintรฉrรชt en microรฉlectronique rรฉside dans la possibilitรฉ de crรฉer des structures topographiques localisรฉes sur une plaque 300 mm possรฉdant une forme et une orientation idรฉale qui, une fois remplies avec un copolymรจre ร blocs, sont reproduites ร densitรฉ multipliรฉe grรขce ร la microsรฉparation de phase. La rรฉalisation des structures topographiques, ou structures guides, peut sโeffectuer via nโimporte quelle mรฉthode de lithographie connue (optique, รฉlectronique, interfรฉrenceโฆ) selon les exigences de rรฉsolution et de rapiditรฉ dโรฉcriture. Deux catรฉgories de graphoepitaxie existent selon le type dโapplications visรฉ pour le circuit intรฉgrรฉ : la rรฉduction de contact ou ยซ contact shrink ยป (pour les connections verticales) et la multiplication de ligne (pour les interconnexions, grilles et zones actives de transistors). La figure I-21 montre un exemple de rรฉsultat en DSA obtenu pour chacune de ces deux configurations : Contrairement ร la chemoepitaxie, aucun procรฉdรฉ de graphoepitaxie ne fait aujourdโhui consensus ce qui multiplie le nombre dโรฉtudes publiรฉes sur des configurations de graphoรฉpitaxie diffรฉrentes. Plusieurs informations principales sont ร retenir de ces รฉtudes : La commensurabilitรฉ entre la taille de la structure de guide et la pรฉriode L0 du copolymรจre utilisรฉ doit รชtre respectรฉe le mieux possible. Le travail de Segalman [SeHK01] allait dรฉjร dans ce sens mais ce sont les rรฉsultats de Ross et al. [ChMR04, CRTS03, CZCM06, CZSV06] qui ont permis de quantifier ce phรฉnomรจne. En utilisant des motifs de tranchรฉes (80nm de hauteur) ร largeur W variable, ils dรฉmontrent grรขce au diagramme reportรฉ en figure I-22 que le nombre de microdomaines dโun PS-b-PFS cylindrique formรฉs ร lโintรฉrieur peut รชtre contrรดlรฉ avec prรฉcision. Leur modรจle dโรฉnergie libre montre que des minima dโรฉquilibre locaux existent lorsque W =n*L0 ce qui favorise lโapparition dโun nombre exact de ยซ n ยป domaines. A lโinverse, ร lโapproche de W = (n+0.5)*L0 une pรฉnalitรฉ dโรฉnergie existe et une coexistence entre deux รฉtats favorables (n et n+1) est prรฉfรฉrรฉe. Ces rรจgles sont directement applicables au cas de la chemoepitaxie.
Parce que les surfaces du guide dรฉclenchent les premiรจres structures ordonnรฉes dans la microsรฉparation de phase (de maniรจre similaire ร une nuclรฉation), elles propagent ensuite ces informations dโorientation et de direction au reste du film par effet de proche en proche [KCYJ14] [SeHK01]. Il rรฉsulte donc que lโinfluence du confinement sur lโordre sโestompe loin de ces surfaces et est le plus faible au centre des cavitรฉs (lorsque W>>1*L0, lโorientation prรฉfรฉrentielle du guide est mรชme perdue).
La hauteur des cavitรฉs est aussi un paramรจtre ร prendre en compte lors dโune graphoepitaxie. Pour que le confinement de la topographie lโemporte sur les autres interfaces, il est admis que la hauteur de cavitรฉ (h) doit รชtre au moins รฉgale ร la pรฉriode intrinsรจque L0 du copolymรจre utilisรฉ [SuDS04a, SuDS04b]. Plusieurs travaux ont montrรฉ que le ratio entre lโรฉpaisseur du copolymรจre dรฉposรฉ (t) et la hauteur de la cavitรฉ ร remplir (h) joue un rรดle dรฉterminant dans lโorientation et le niveau de dรฉfauts de lโassemblage final [YTYC09] [PRPK09]. Black et al. [BlBe04] ont par exemple observรฉ (comme reprรฉsentรฉ figure I-23) comment les profils de remplissage dโun copolymรจre diblocs cylindrique ร lโintรฉrieur de cavitรฉs pouvaient affecter sa morphologie oรน son orientation.
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Table des matiรจres
RESUME
CHAPITRE I- ETAT DE LโART : LโAUTO-ASSEMBLAGE DIRIGE DES COPOLYMERES A BLOCS POUR LA LITHOGRAPHIE CMOS AVANCEE
I.1 HISTORIQUE ET ENJEUX DE LA LITHOGRAPHIE
I1.1 La miniaturisation du transistor comme leitmotiv
I1.2 Principe et limitations de la technologie optique actuelle
I1.3 La solution de continuitรฉ : lโextrรชme ultraviolet
I1.4 Critรจres de sรฉlection des lithographies nouvelle gรฉnรฉration
I1.5 Exemples de lithographies nouvelle gรฉnรฉration
I.2 LโAUTO-ASSEMBLAGE DIRIGE DES COPOLYMERES A BLOCS
I2.1 Thermodynamique de la microsรฉparation de phase
I2.2 Contrรดle de lโorientation des nanodomaines
I2.3 DSA : lโauto-assemblage dirigรฉ pour la lithographie
I.3 LE DSA ET LโINDUSTRIE CMOS: CONTEXTE ET OBJECTIFS DE THESE
I3.1 Applications DSA pour le CMOS
I3.2 Contexte de thรจse : maturitรฉ industrielle du DSA
I3.3 Objectifs de thรจse
CHAPITRE II- PROTOCOLES EXPERIMENTAUX POUR LโEVALUATION PERTINENTE DES COPOLYMERES A BLOCS
II.1 REALISATION DES FILMS MINCES DE COPOLYMERE A BLOCS
II1.1 Systรจmes polymรจres utilisรฉs
II1.2 Dรฉpรดt des CPB en film mince
II1.3 Protocole expรฉrimental pour le recuit thermique
II1.4 Fonctionnalisation de surface par greffage de CPB
II1.5 Mรฉthodes de retrait du bloc PMMA
II.2 REALISATION DES GUIDES DE GRAPHOEPITAXIE
II2.1 Lithographie des motifs du guide
II2.2 Transfert des guides rรฉsine dans un masque dur
II.3 METROLOGIE DโEVALUATION DES PERFORMANCES DSA
II3.1 Evaluation des dimensions critiques au CD-SEM
II3.2 Mรฉthodes dโรฉvaluation de la dรฉfectivitรฉ
II3.3 Mรฉthodes dโรฉvaluation de la rugositรฉ de lignes
II3.4 Mise en place dโune routine de mรฉtrologie
CHAPITRE III- LITHOGRAPHIE DSA PAR GRAPHOEPITAXIE : EVALUATION INITIALE DES PERFORMANCES SUR LIGNE PILOTE 300MM
III.1 INTRODUCTION
III.2 OPTIMISATION DES PARAMETRES DE LโAUTO-ASSEMBLAGE DU L38
III2.1 Optimisation du couple temps (t) et tempรฉrature (T)
III2.2 Optimisation matรฉriaux : mรฉlange de copolymรจres ร blocs
III.3 PROCEDE DE GRAPHOEPITAXIE INITIAL EN 300MM
III3.1 Etudes morphologiques
III3.2 Morphologie dans lโรฉpaisseur
III.4 PASSAGE A LA LITHOGRAPHIE 300MM : ETUDE DES CARACTERISTIQUES DU PROCEDE ฮPS
III4.1 Structures de guides adaptรฉes ร lโรฉtude de commensurabilitรฉ
III4.2 Fenรชtre de procรฉdรฉ dรฉlimitรฉ par les dรฉfauts
III4.3 Fenรชtre de procรฉdรฉ dรฉlimitรฉe par la rugositรฉ
III4.4 Conclusion du chapitre
CHAPITRE IV- INTEGRATION DU DSA PAR GRAPHOEPITAXIE POUR LA REALISATION DE TRANSISTORS EN NANOFILS DE SILICIUM
IV.1 INTEGRATION CHOISIE ET RETRAIT DU PMMA
IV1.1 Schรฉma dโintรฉgration au Leti
IV1.2 Insertion du procรฉdรฉ de graphoepitaxie
IV1.3 Elaboration du masque PS et transfert dans lโoxyde
IV.2 OPTIMISATION DE LโINTEGRATION PAR EXPOSITION AUX ULTRA-VIOLETS
IV2.1 Contrรดle de lโรฉnergie dโinterface dโun film greffรฉ par insolation UV
IV2.2 Adaptation du concept ร un environnement 3D : simulation
IV2.3 Dรฉmonstration de faisabilitรฉ en graphoepitaxie
IV2.4 Preuve de concept expรฉrimental : disparition des dรฉfauts aprรจs gravure
IV.3 INTEGRATION AVEC LE PROCEDE ASSISTE PAR LES UV
IV3.1 Caractรฉristiques post-retrait PMMA (masque PS)
IV3.2 Etapes successives de transferts ร partir du masque PS
IV.4 CONCLUSION DU CHAPITRE
CONCLUSION GENERALE & PERSPECTIVES
BIBLIOGRAPHIE
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