A mon arrivée et aux commencements des travaux liés à cette thèse, le niveau Métal-1 du nœud technologique 28nm est résolu avec une fenêtre de procédé réduite de l’ordre de 80nm, et des écarts de focalisation important entre les structures embarquées sur ce même niveau. Ce niveau présente à la fois des contraintes liées à la densité des motifs et des configurations au niveau du design pouvant conduire à des amincissements de lignes et des rapprochements entre les motifs. Les amincissements de lignes peuvent provoquer dans le circuit électrique des échauffements et la perte de signal électrique, alors que les rapprochements de motifs conduisent à des courts-circuits. Ce niveau utilise un réticule de type OMOG, et l’étape d’exposition se fait sur un scanner à immersion utilisant une source ArF à 193nm et une ouverture numérique à 1,35. En agissant EXCLUSIVEMENT sur les paramètres du réticule, l’objectif est donc double :
1. Améliorer la fenêtre de procédé globale sur plaquette.
2. Réduire les écarts de focalisation sur plaquette entre les différentes structures embarqués sur ce même niveau. On appellera ces écarts le Best Focus Shift.
L’amélioration de la fenêtre de procédé (désigné en anglais par PW pour Process Window) se fait par l’augmentation de la ‘’Latitude d’Exposition’’ (désigné en anglais par EL pour Exposure Latitude) et/ou de la ‘’profondeur de champ’’ (désigné en anglais par DOF pour Depth of Focus). L’augmentation de l’EL dépend essentiellement des paramètres résine à DOF figé (chapitre B.III.2). On ne peut donc pas travailler sur l’amélioration de l’EL via l’optimisation des paramètres du réticule. Le levier qu’il nous reste pour répondre à ce premier objectif est donc d’améliorer la DOF.
Concernant la réduction des écarts de focalisation en fonction du pas de réseau visé, cela implique une compréhension des phénomènes liés au réticule et qui contribue à déformer le front d’onde comme décrit Figure 36.
Il existe 2 familles de réticules : les réticules à décalage de phase plus connus sous l’acronyme PSM (de l’anglais Phase Shift Mask) et les réticules binaires avancés, connus sous leur Figure 36 : Différence de Best Focus illustrée dans la hauteur de résine pour trois réseaux 1D
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acronyme anglais UBM (de l’anglais Ultimate Binary Mask). La différence entre ces deux réticules réside dans le substrat qui est utilisé avant la gravure des motifs qui les composent. On appellera ce substrat ‘’blank’’ dans la suite nos travaux.
Le cycle de fabrication et d’utilisation d’un réticule peut se résumer en trois étapes principales décrites Figure 37.
Ce cycle complexe sera décomposé en détail dans la partie C. La première étape consiste à fabriquer l’empilement multicouche du réticule, qui se déroule chez ce que nous nommerons le blank provider. Le blank provider est la société qui a la charge de déposer sur un substrat de taille définie le(s) couche(s) de matériau absorbeur du réticule de manière uniforme sur la totalité de sa surface. La deuxième étape consiste à transférer les motifs composant le dessin physique du circuit sur le réticule. Cette seconde étape se déroule à la ‘’Mask Shop’’. Enfin la troisième étape consiste à utiliser le réticule pour la fabrication des puces. Cette troisième étape se déroule chez les ‘’Integrated Device Manufacturer’’(IDM), qui n’est autre que STMicroelectronics en ce qui concerne tout le travail réalisé dans ce manuscrit. C’est également au niveau IDM que sont conçus les designs des différents niveaux qui composent une puce électronique.
Globalement trois acteurs sont identifiés dans le cycle de fabrication et d’utilisation des réticules. A travers nos travaux de recherche, nous nous sommes aperçus que le blank provider n’a pas vraiment conscience de l’impact que le blank aura sur la qualité finale de la puce au niveau IDM, et encore moins du potentiel impact que celui-ci peut avoir sur l’obtention d’une fenêtre de procédé viable d’un point de vue IDM. L’étape de transfert des motifs sur le réticule a pour contrainte principale le respect des dimensions du design et
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l’obtention d’un profil le plus droit possible. Notre but se précise alors un peu plus et il apparait que la proposition d’un nouveau réticule via l’optimisation de son blank semble être la solution la plus adaptée pour répondre à notre double problématique. On cherchera donc à travers cette partie à optimiser le blank.
Pour le niveau Métal 28, le réticule qui a été adopté est un OMOG (Opaque MoSi On Glass) de la famille des UBMs. Le choix de ce réticule OMOG avait été motivé par le fait que les modèles OPC utilisaient alors l’approximation TMA (de l’anglais Thin Mask Approximation, cf. chapitre A.IV.5) et que l’empilement de la couche absorbante sur le réticule permettait de conserver cette approximation. Le fait que ce réticule provoquerait des déformations du front d’onde telles qu’elles se traduiraient par du Best Focus Shift sur plaquette n’était pas avéré. Ceci est donc notre première piste d’investigation, le basculement d’un réticule de type OMOG à PSM. Voici les nouvelles questions qui se posent alors :
1. Comment sont fabriqués les réticules ? Quels sont les contraintes qui limitent notre champ d’action ? Comment palier à ces contraintes ?
2. Comment sont prises en compte les contraintes de Process Window et Best Focus lors de la fabrication des réticules ?
3. Avant de faire fabriquer un réticule optimisé (c’est-à-dire dédié pour ST), il faut être capable de simuler et mettre en évidence les phénomènes observés sur plaquette. Quels sont les paramètres du réticule à connaitre et à implémenter dans notre simulateur pour mettre en évidence cette PW réduite et le Best Focus shift ? Quels sont parmi ces paramètres les plus détractants par rapport à notre double problématique ? Et enfin, quelle est l’adéquation entre les résultats de simulations et ceux obtenus sur plaquettes ?
La suite de nos travaux liés à cette partie s’articulera en plusieurs axes d’exploration :
- Le premier axe consistera à appréhender le cycle de fabrication des réticules et à comprendre comment les matériaux qui le composent ont été choisis.
- Le second axe consistera à acquérir la maitrise suffisante de notre outil de simulation (HyperLith™) afin d’être en mesure de mettre en évidence le phénomène de Best Focus Shift et de proposer un nouveau réticule en accord avec notre objectif. Le travail lié à ce second axe d’exploration sera réalisé en collaboration avec notre Mask Shop avancée, à savoir la société DNP. Ceci nous permettra de sélectionner les paramètres des réticules à implémenter dans le simulateur.
- Le troisième axe d’exploration consistera à travailler avec la société ASML (Leader dans la fabrication des systèmes de projection) sur le réticule qu’ils ont commencé à développer avec HOYA (à la fois Blank Provider et Mask Shop). Ce travail entrera dans un programme de recherche commun, ECLIPSE, qui avait déjà permis d’identifier ce problème lié au Best Focus Shift. Une amélioration de l’outil de projection avait alors été développée et testée. Nous présenterons succinctement ce nouveau module dans le chapitre C.II.2. qui suit.
Ces trois axes d’explorations ont été menés en parallèle et les informations obtenues au fur et à mesure dans chacun de ces axes, ont également été utiles à l’étude des autres. Ils ne seront donc pas traités indépendamment les uns des autres dans la suite de cette partie. Dans un premier temps nous commencerons par resituer notre double problématique et nous présenterons le module Flexwave ainsi que les méthodes d’analyse rigoureuses dont nous
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aurons besoin pour notre travail. Ensuite nous aborderons dans le second chapitre l’étude qui nous a conduits, en partenariat avec ASML, à obtenir et évaluer le PSM optimisé.