Photolithographie
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La photolithographie, dans le cas des semi-conducteurs, désigne l'ensemble des opérations permettant de délimiter l'extension latérale des matériaux sur la surface d'un substrat semiconducteur, dont la structure est plus ou moins bidimensionnelle car basée sur l'empilement de couches à la surface d'une plaquette de silicium. Les motifs deviendront par la suite les différentes zones actives des composants électroniques (exemple : contact, drain...) ou les jonctions entre ces composants.
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[modifier] Introduction
Les composants micro-électroniques, de nos jours omniprésents, ont vu leur évolution prendre son essor avec la mise au point de techniques de fabrication permettant de réduire sans cesse leur taille, notamment grâce à la photolithogravure, qui est actuellement le procédé le plus répandu. Ce n’est qu’à ce prix qu’il est aujourd’hui possible de concentrer dans quelques millimètres carrés les centaines de composants élémentaires nécessaires au fonctionnement des appareils électroniques des plus courants aux plus sophistiqués.
La fabrication des composants micro-électroniques repose sur un grand nombre de techniques, dont la complémentarité permet au final l’obtention de composants utilisables tels que les diodes, les transistors, ou encore les puces qui ne sont en fait qu’un assemblage de ces composants élémentaires.
La principale technique mise en œuvre se nomme la lithographie qui littéralement signifie « écriture sur pierre ». Son origine remonte à une ancienne méthode d’impression en noir et blanc à partir d’une pierre calcaire sur laquelle est reporté un motif (à l’envers) à l’aide d'une encre, motif qui sera ensuite tranféré par contact sur le support à imprimer. On retrouve un grand nombre de dérivés de cette méthode dans les procédés d’imprimerie. Mais plus récemment un procédé de ce type à été appliqué à la fabrication de semi-conducteurs, c’est la photolithographie.
[modifier] Photolithographie : matériaux et procédés
[modifier] Généralités et terminologie
Les étapes du procédé de photolithographie, commencent par l'application d'une photorésine sous forme d'un film fin sur la surface d'un substrat (ex : silicium ou oxyde de silicium). Elle est ensuite exposée à une radiation lumineuse. Lors de cette étape l'utilisation d'un masque, formé de zones opaques et transparentes, permet de définir le motif que l'on souhaite reproduire sur la plaquette.
[modifier] Préparation des substrats
Les principaux matériaux utilisés pour la fabrication de composants microélectroniques sont choisis pour leurs propriétés intrinsèques. En premier lieu vient le silicium, matériau semiconducteur par excellence, mais on trouve aussi certains métaux tels que l'aluminium ou le cuivre, choisis pour leurs propriétés conductrices notamment, qui pourront jouer le rôle de connexion interne, ou encore des isolants tels que l'oxyde de silicium (SiO2) et certains matériaux organiques. On peut encore ajouter à cette liste bon nombre de matériaux qui se prêteront, par exemple, à la réalisation de résistances ou de capacitances. Chacun de ces matériaux doit bien entendu, être mis en œuvre selon des techniques adaptées, afin d'en obtenir les propriétés recherchées. Ainsi les métaux sont généralement déposés par des procédés de pulvérisation en phase vapeur, les oxydes de silicium seront créés par oxydation du silicium qui constitue les plaquettes, etc.
Des caractéristiques de planéité, d'état de surface, de conductivité bien précises sont recherchées à tous les stades de la fabrication.
Chaque ajout, ou retrait, de matière sur une plaquette nécessite d'être fait selon un certain schéma, définit lors de la conception de la puce, de telle sorte que chacune des caractéristiques pour lesquelles un matériau est recherché puisse jouer pleinement son rôle au sein du composant une fois celui-ci terminé et mis en boîtier.
[modifier] Génération d'un masquage (photo)
L'exposition crée des réactions au sein de la résine et engendre des modifications chimiques, les zones irradiées vont voir leur solubilité évoluer suivant le type de résine - positive ou négative. Les solvants spécifiques contenus dans le développeur vont permettre d'éliminer certaines parties du film de résine, qui couvre encore toute la surface de la plaquette, et de mettre à nu le substrat.
- Dans le cas où la région exposée devient plus soluble, une image positive du masque est formée sur la résine, d'où le terme résine positive. À l'inverse lors de l'utilisation d'une résine négative l'image formée l'est en négatif (les zones exposées résistent au développement).
L'étape suivante, généralement la gravure, va éliminer la couche du substrat (ex : SiO2) dans toutes les régions non recouvertes de résine, les motifs du masque seront alors reproduits sur la couche inférieure. Les photorésines doivent donc assurer essentiellement deux rôles. Dans un premier temps offrir une bonne réponse a l'exposition radiative, afin d'assurer la reproduction fidèle et précise de l'image du masque. Et dans un second temps protéger efficacement le substrat durant la gravure, ce qui implique une certaine résistance aux agents utilisés (acides, plasmas...).
[modifier] Photorésines
[modifier] Généralités
Les propriétés de base des résines photosensibles peuvent êtres classées selon trois catégories :
- Les propriétés optiques, qui comprennent la résolution et l'indice de réfraction ;
- Les propriétés chimiques et mécaniques, qui incluent la photosensibilité, la viscosité, l'adhésion, la résistance à la gravure, la stabilité thermique, la sensibilité aux gaz ambiants (ex : oxygène, vapeur d'eau...) ;
- Les aspects technologiques et la sécurité, qui comprennent la pureté, les métaux contenus, les latitudes de process, la durée de vie...
[modifier] Composition des photorésines positives
Les résines photosensibles sont composées pour l'essentiel de trois matériaux : une matrice, un composé photosensible et un solvant. Les propriétés de la résine sont altérées par des transformations photochimiques du matériau photoactif, la principale conséquence étant la modification de sa solubilité.
- La matrice est une résine polymère, souvent désignée par le terme générique « novolak », qui est un Cresol/Formalmehyde. C'est elle qui procure au film, une fois polymérisée, ses propriétés mécaniques et physiques. La vitesse de dissolution d'un film uniquement composé de novolak (sans agent photoactif) dans un développeur aqueux est de l'ordre de 150Å.s − 1. Les résines Novolak possèdent de bonnes propriétés de stabilité thermique, de résistance aux agents de gravure, et permettent d'atteindre de hautes résolutions de motifs. Elles offrent aussi une bonne transparence et sont solubles dans des développeurs aqueux.
- Le composé photoactif (PAC) dans les résines positives est du diazonaphtoquinone (DNQ). Il n'est pas ou peu soluble dans le développeur.
- Le solvant, quant à lui, détermine la viscosité de la résine. Il constitue environ 70 % de la résine et comporte généralement plusieurs composants. Actuellement ce sont principalement des PGMEA (Propylene Glycol Monomethyl Ether Acetate) et des Ethyl Lactate (EEP, Ethyl 3-Ethoxy Propionate).
Les résines photosensibles positives sont couramment désignées par le terme Novolak-diazonaphtoquinone, ou DNQ-Novolak.
[modifier] Mécanisme
Le principe de la photolithographie repose sur la capacité des résines à voir leur solubilité évoluer en fonction de la quantité de radiation lumineuse absorbée. Le mécanisme mis en jeu pour les résines positives DNQ-Novolak peut se décomposer en deux principales composantes :
Résine non exposée : le PAC interagit avec la résine Novolak lors de la polymérisation pour inhiber la solubilité de la résine dans les développeurs alcalins par formation de liaisons hydrogène avec la matrice. La dissolution du film dans le développeur passe à environ 10 à 20Å.s − 1.
Résine exposée : la partie active (photosensible) du DNQ va réagir et se transformer sous l'action de la lumière (photolyse) et en présence d'eau. Il s'en suit un réarrangement moléculaire avec la matrice qui libère les liaisons hydrogène ainsi qu'une production d'acide carboxylique. La présence d'acide carboxylique, qui est une molécule polaire, a pour conséquence d'augmenter considérablement la solubilité, la vitesse de dissolution des parties exposées du film exposées avoisine alors 1000 à 2000Å.s − 1.
Le mécanisme de formation des images dans de la résine positive est donc basé sur la différence de solubilité des zones exposées, ou non, à un rayonnent lumineux, avec des vitesses de dissolution du film variant d'un facteur 100 (de 10 à 1000Å..s − 1).
[modifier] Caractéristiques
[modifier] Adhésion
L'adhésion des résines sur les substrats Si, SiO2 et Al est globalement faible, ce qui est susceptible de causer de sérieux problèmes lors des étapes de gravure où les procédés utilisés sont très agressifs pour la résine. Les solutions mises en œuvre sont d'une part la déshydratation de la surface des substrats, et d'autre part l'apport d'un composé favorisant l'adhésion résine/substrat.
[modifier] Particules et métaux polluants
La pureté de la résine est un facteur influant sur les caractéristiques finales du motif lithographié. Afin d'assurer une quantité minimale de polluants dans la solution, on a recours à des règles strictes de filtration et de stockage. Les méthodes de filtration, sous pression d'azote, permettent d'éliminer les particules de dimension supérieure à 0,1 μm. Les métaux, notamment le sodium et le potassium, sont indésirables car susceptibles de contaminer le matériau semiconducteur par diffusion. La quantité résiduelle de Sodium (Na) et de P dans les résines ne doit pas dépasser 0,5 ppm.
[modifier] Proportion phase solide/solvant (solid-content)
Ce paramètre spécifie le pourcentage de résine obtenu après évaporation complète du solvant. La quantité de solide contenu dans la résine détermine sa viscosité. Elle est, en quelque sorte, fonction du temps car dans le cas des résines positives le PAC se décompose lentement pour finir par former des précipités (après un stockage prolongé par exemple).
[modifier] Viscosité
La viscosité est dépendante pour l'essentiel de la température et de la proportion de solide présent. C'est la viscosité qui va déterminer l'épaisseur du film déposé par enduction centrifuge, en fonction la vitesse de rotation.
[modifier] Résistance à la gravure et stabilité thermique
La résistance à la gravure définit la capacité de la résine à subir le procédé de gravure des plaquettes durant le transfert de motif. Les résines doivent développer une bonne résistance à la gravure pour remplir pleinement leur rôle. Si cette résistance est généralement bonne dans le cas des gravures humides, il n'en est pas de même pour les gravures sèches, beaucoup plus agressives. La difficulté rencontrée est due au fait que la sensibilité aux radiations de la résine s'en trouve amoindrie. La résistance peut être améliorée par une augmentation de la quantité de liaisons entre les chaînes moléculaires du matériau.
[modifier] Photolithographie
[modifier] Mise en œuvre des photorésines
[modifier] Déshydratation et promoteur d'adhérence
La contamination des surfaces peut affecter bon nombre d'étapes ultérieures du procédé photolithographique. Les problèmes engendrés sont communément la diminution de l'adhésion et les inclusions de défauts. L'élimination de ces problèmes passe par une très bonne propreté des substrats.
L'humidité est un des agents parmi les plus polluants au niveau des procédés lithographiques. En effet, les surfaces des substrats couramment utilisés (oxyde...) sont hydrophiles et adsorbent l'humidité de l'air ambiant. L'eau sur la surface des substrats favorise la création d'hydroxydes polarisés particulièrement difficiles à éliminer par la suite. Il en résulte des interférences avec les phénomènes d'adhésion résine/substrat.
La solution consiste en une cuisson dite de déshydratation. Les plaquettes passent par une étape d'élévation de la température sur un système de plaques chauffantes. Cette cuisson doit être effectuée très peu de temps avant l'étape suivante, car la réadsorption d'humidité est très rapide.
Le primaire, ou promoteur d'adhésion, est un composé déposé sur la surface afin d'améliorer l'adhésion résine/substrat. Ce composé est ordinairement de l'hexamethyldisilazane (HMDS). Le procedé consiste en un remplacement des groupements hydrophiles qui se forment normalement sur la surface par d'autres groupements hydrophobes. Une partie des molécules réagit avec la surface oxydée du substrat, partiellement hydrosilicatée du fait de l'adsorption d'hydrogène, pour former des liaisons Si - O, avec production d'eau. L'autre extrémité de la molécule va quant à elle pouvoir former des liaisons avec la résine. Le dépôt de l'HMDS se fait en phase vapeur et consiste en l'introduction du produit sous forme de gaz dans une chambre en présence du substrat. L'application du HMDS peu s'effectuer à froid ou à chaud.
[modifier] Dépôt de résine
Le film de résine est obtenu par un procédé d'enduction centrifuge (spin coating). Le principe consiste à étaler à l'aide de forces centrifuges une petite quantité de résine sur un substrat (plaquette de silicium). Le procédé comprend cinq étapes principales :
- a) Dépôt de la résine sur la plaquette ;
- b) Répartition de la résine sur la totalité de la surface de la plaquette par mise en rotation ;
- c) Augmentation de la vitesse de rotation afin d'éliminer le surplus de résine ;
- d) Rotation à vitesse constante afin d'établir l'épaisseur de la résine ;
- e) Rotation durant un temps déterminé pour permettre l'évaporation du solvant.
Lors de la première étape (a) une petite quantité de résine, quelques millilitres, est déposée sur la plaquette. Le dépôt s'effectue selon deux principaux modes : sur la plaquette immobile ou sur la plaquette en rotation à faible vitesse (1500tr.min − 1). Le second mode offre l'avantage d'homogénéiser le volume de résine au centre du substrat (diamètre, épaisseur) et d'éliminer aussitôt le surplus de résine. Une forte accélération (b) (20000tr.min − 1) est ensuite appliquée à la plaquette pour favoriser la formation d'une couche uniforme sur toute la surface.
L'évaporation du solvant diminue sensiblement la viscosité de la résine dont dépend directement l'épaisseur du film. L'évaporation étant rapide, il est par conséquent nécessaire de veiller à ce que le délai d'étalement de la résine soit court. L'accélération est cependant limitée par la capacité des moteurs et la résistance mécanique des plaquettes.
Durant l'étape (c) le film est mis à son épaisseur finale. La rotation s'effectue à vitesse constante car l'épaisseur est assujettie à la vitesse de rotation. La plage de vitesse de rotation se situe entre 2000 et 7000tr.min − 1, cependant l'uniformité optimale est obtenue aux vitesses supérieures à 4000tr.min − 1. Durant la rotation à grande vitesse la plus grande partie du solvant contenu s'évapore pour finir par produire un film solide. La qualité du film dépend essentiellement de la présence ou non de défauts (comètes, poussières, manques, etc.) et de l'uniformité de son épaisseur (variations d'épaisseur, symétrie, etc.).
[modifier] Cuisson après dépôt
Cette étape succède immédiatement au dépôt de la résine sur la plaquette. Elle assure l'élimination rapide d'une partie des solvants et la polymérisation de la matrice. Le taux de solvant passe ainsi de 20 - 30% restant après le premier séchage à 4 - 7%. Cela à pour conséquence un retrait volumique de la résine qui engendre une perte d'épaisseur de l'ordre de 10%. Le taux de solvant résiduel influe notamment sur le développement : plus ce taux est faible et plus la dissolution de la résine est rapide.
Le chauffage des plaquettes peut s'effectuer selon différents modes. Le plus employé utilise un système de plaques chauffantes (hot-plates) sur lesquelles sont disposées les wafers. La température est d'environ 110 °C et la durée du cycle est très courte (30 - 60 s) et ajustée pour atteindre le taux de solvant désiré. Le principe de chauffage par hot-plate se décline en deux variantes : celle par contact, où la transmission de chaleur se fait par conduction, et celle par proximité, où cette fois la plaquette reste positionnée à faible distance de la hot-plate, la transmission se faisant par convection.
Toute opération de cuisson est succédée par un refroidissement de la plaquette. La technique est identique. On utilise alors des chill-plates à une température proche de la température ambiante (22 °C).
[modifier] Insolation
L'insolation consiste en l'exposition de certaines zones de la résine, par le biais d'un système de masquage, à un rayonnement ultraviolet . Il se créé alors, par réaction photochimique, une image latente dans l'épaisseur de la résine photosensible. Le degré d'exposition dépend essentiellement de l'intensité de la source et du temps d'exposition et est mesuré par l'intermédiaire d'une énergie surfacique (J.m − 2). Il conditionne le degré d'avancement de la réaction photochimique qui dépend de la sensibilité de la résine.
L'exposition de la résine est une étape critique du procédé de photolithogravure pour plusieurs raisons : on procède plaquette par plaquette, par conséquent la durée d'exposition influe directement sur le temps de cycle. La durée d'exposition est un paramètre offrant relativement peu de marges car une résine sous-exposée entraîne une dégradation sensible de la résolution des motifs. Le temps consacré à l'alignement des plaquettes n'est pas négligeable et est difficilement réductible. L'amélioration des durées de process à ce niveau passe donc obligatoirement par une optimisation des réactions photochimiques. Cette tache est ardue car il existe une forte dépendance entre l'exposition et toutes les étapes précédentes.
[modifier] Résolution et phénomènes liés
La résolution d'impression est un facteur essentiel car elle est la principale cause de limitations de la taille minimum des motifs. La qualité des images imprimées par projection est aujourd'hui limitée par les phénomènes de diffraction de la lumière.
Tous les systèmes optiques de lithographie engendrent des phénomènes de diffraction de la lumière. Ceux-ci ont pour principale cause le passage des ondes lumineuses à travers les fentes que constituent les masques. À cause de ces phénomènes de diffraction, des radiations apparaissent dans des zones non directement exposées au rayonnement incident. La distribution d'intensité produit alors des séries de zones sombres et claires alternées dont la période dépend de la distance entre les fentes la plaquette, de la configuration géométrique des fentes et de la pureté chromatique de la source de lumière.
- Source lumineuse : elle est constituée d'une lampe à mercure, qui fourni un spectre présentant un certain nombre de pics d'intensité. La gamme spectrale de l'ultraviolet (λ=150 à 500 nm) se divise en trois régions : UVC ou Deep UV (DUV), UVB ou Mid UV (MUV) et UVA ou Near UV. Les différents pics se situent dans chacune des trois régions (G-line [λ=436 nm], H-line [λ=405 nm], I-line [λ=365 nm], DUV [λ=248 nm]).
La sélection d'un ou plusieurs pics permet donc de déterminer précisément la longueur d'onde du rayonnement incident, auquel est directement lié la résolution d'impression : plus la longueur d'onde est faible, plus la résolution est élevée.
La pureté chromatique de la source de lumière est définie par des filtres qui permettent la sélection de certaines longueurs d'onde.
[modifier] Glossaire
- CD Critical Dimension (Dimension Critique)
- DNQ Diazonaphtoquinone, composé photoactif des photorésines
- HMDS Hexamethyldisilazane (promoteur d'adhésion)
- MEB Microscopie électronique à balayage
- Motif Désigne une partie d'un masquage (résine, oxyde...)
- Novolak Matrice des photorésines positives (Cresol/Formalmehyde)
- PAC Photo Active Compound/Composé Photo Actif
- Polysilicium Silicium polycristallin
- SEM Scanning Electron Microscope/Microscope Electronique à Balayage
- Standing-wave Interférences lumineuses créées par des réflexions multiples entre matériaux d'indices de réfraction différents
- Std. Dev. Standard deviation/écart type
- Stepper Equipement assurant l'insolation de la résine par le biais d'une source de lumière, d'un réticule et d'un système de lentilles optiques
- Wafer Plaquette, plaque ou tranche de silicium
[modifier] Voir aussi
Domaines englobants
- Semi-conducteur
- Physique du solide
- Électronique
- Chimie du solide
- Ingénierie électronique
Domaines Connexes
- Circuits semiconducteurs
- Matériaux semiconducteurs
- Nitrure de bore
- Diamant
- Arséniure de gallium
- Arséniure de gallium/aluminium
- Germanium
- Phosphure d'indium
- Silicium
- Silicium germanium
- Semi-conducteur à large bande
- Spintronique
Concepts
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