Objectifs de th`ese

Dans le contexte de la course `a la miniaturisation des dimensions critiques en micro-´electronique, la lithographie 193i atteint aujourd’hui ses limites17. Si l’EUV semble aujourd’hui ˆetre la solution privil´egi´ee industriellement, le DSA de High-χ pourrait ˆetre envisag´e `a l’avenir comme solution alternative ou compl´ementaire `a celle-ci.

Aujourd’hui, le proc´ed´e LiNe semble pr´ef´er´e aux autres proc´ed´es de chemo-´epitaxie pour l’alignement longue distance des CPB PS-b-PMMA. Or, pour ce proc´ed´e, les guides de chemo-´epitaxie sont g´en´eralement issus de lithographie 193i, dont la r´esolution minimale atteignable est de l’ordre de 80 nm (pour les pitch). Ainsi, pour aligner un CPB High-χ de p´eriode L0 = 18 nm `a longue distance, le facteur de multiplication minimal pouvant ˆetre obtenu est de 5 (pour un pitch de lithographie de 90 nm). Des probl´ematiques de d´efectivit´e DSA importantes pourraient alors ´emerger18.

Dans le cadre du proc´ed´e ACE, pour un pitch de lithographie 193i donn´e, deux guides de chemo-´epitaxie sont obtenus (dont la localisation correspond aux anciens emplacement des espaceurs), permettant ainsi de relˆacher la contrainte dimensionnelle, probl´ematique dans le cadre du proc´ed´e LiNe. Cet avantage ´etablit tout l’int´erˆet du proc´ed´e ACE en vue d’une insertion des High-χ en micro-´electronique.

Le proc´ed´e ACE a donc pour vocation finale d’incorporer les CPB High-χ en micro-´electronique. Cependant, les CPB High-χ disponibles au CEA-Leti n’´etant pas matures, les travaux pr´esent´es dans cette th`ese se baseront sur l’emploi d’un CPB PS-b-PMMA de p´eriode L0 = 32 nm.

L’objectif fix´e par le consortium IDeAL est de comprendre les ph´enom`enes `a l’origine de l’alignement d’un CPB par le proc´ed´e ACE, et d’optimiser la d´efectivit´e et la rugosit´e de ligne des motifs ainsi obtenus.

1.4.2.1 Compr´ehension et optimisation du proc´ed´e ACE

Une premi`ere preuve de concept du proc´ed´e ACE, d´emontr´ee lors de travaux ant´erieurs, pr´esente certaines limitations, comme la d´efectivit´e ´elev´ee `a l’´etape DSA. Une diff´erence d’alignement entre les diff´erentes fenˆetres de proc´ed´e disponibles (correspondantes `a des MF de 4, 6 et 8) est observ´ee.

Dans le but de comprendre l’origine d’une telle diff´erence de comportement, les ´etapes technologiques du proc´ed´e ACE seront caract´eris´ees. Ces analyses pourront donc ´etablir une premi`ere base de r´eflexion afin de comprendre les forces `a l’origine d’un d´ebut d’alignement DSA et d’am´eliorer les performances de ce proc´ed´e en termes de d´efectivit´e DSA.

Pour les proc´ed´es de chemo-´epitaxie, les diff´erentes ´etapes de pr´e-structuration chimique du substrat sont essentielles et doivent ˆetre maˆıtris´ees pour obtenir une d´efectivit´e s’approchant des crit`eres fix´es par l’IRDS19. Les aspects de topographie et d’´energie de surface sont donc des param`etres cl´es `a optimiser dans le cadre du proc´ed´e ACE. Ainsi, par exemple, le nano-mouillage de la xNL entre espaceurs devra ˆetre investigu´e. `A l’´echelle nanoscopique, ´evaluer le mouillage d’un polym`ere en milieu confin´e n’est pas anodin, et n´ecessite l’impl´ementation d’une m´ethodologie novatrice : l’imagerie aux ´electrons r´etrodiffus´es.

Cette technique, bas´ee sur la collection d’´electrons sensibles `a la nature chimique des mat´eriaux en pr´esence (´electrons r´etrodiffus´es), permet d’imager rapidement avec une forte r´esolution et

17. cf. Section 1.1.2 `a partir de la Page 7 18. cf. Section 1.2.3 `a partir de la Page 24. 19. cf. Section 1.1.2.1, Page 8.

de mani`ere reproductible les diff´erentes ´etapes critiques du proc´ed´e ACE. Les clich´es obtenus par cette m´ethode imageront donc la nature chimique des mat´eriaux en pr´esence, tout en s’affranchissant de la topographie des motifs. Par exemple, des informations pourront donc ˆetre obtenues en fond de cavit´e des espaceurs, permettant d’´evaluer la pr´esence d’un potentiel r´esidu de gravure, le mouillage de la xNL, ou encore d’´evaluer l’´etat de l’interface substrat-CPB `a l’´etape DSA, apr`es retrait du PMMA.

Les r´esultats obtenus par imagerie aux ´electrons r´etrodiffus´es seront corrobor´es par d’autres techniques de caract´erisation, comme la microscopie `a force atomique ou des coupes transverses obtenues `a l’aide de la microscopie ´electronique en transmission, lorsque les limites de ces techniques ne seront pas atteintes.

Dans un second temps, un transfert technologique des r´esultats obtenus `a l’aide de la lithographie e-beam vers une lithographie 193i sera envisag´e. Ce transfert est n´ecessaire quant `a la r´ealisation d’une pr´e-structuration reproductible (intra et inter plaque), permettant ainsi une compr´ehension fine des processus d’alignement du CPB L32 et de l’optimisation du proc´ed´e ACE.

1.4.2.2 Compr´ehension des ph´enom`enes `a l’origine de la rugosit´e de ligne

L’optimisation du proc´ed´e ACE pour le L32 a pour objectif final de permettre de mesurer la rugosit´e par PSD de l’´etape DSA, en fonction de diff´erents param`etres de proc´ed´e. Pour satisfaire les crit`eres de l’IRDS ´etablis pour la mesure de rugosit´e, le proc´ed´e ACE optimis´e de-vra donc pr´esenter des motifs dont la d´efectivit´e mesur´ee est inf´erieure `a 1 d´efaut pour 100 µm2 20.

En chemo-´epitaxie, la maturit´e n´ecessaire aux mesures exp´erimentales de rugosit´e par PSD n’est atteinte que depuis quelques ann´ees. Les deux seuls proc´ed´es de chemo-´epitaxie report´es dans la litt´erature montrant une maturit´e suffisante `a la mesure de rugosit´e semblent ˆetre les proc´ed´es LiNe et SMART21.

Les r´esultats de rugosit´e obtenus sur des motifs DSA de chemo-´epitaxie montrent des tendances claires en ce qui concerne l’impact de la pr´e-structuration du substrat sur la rugosit´e du CPB22. En revanche, la communaut´e scientifique ne semble pas disposer d’assez de recul pour ´evaluer de mani`ere unanime l’impact des propri´et´es intrins`eques du CPB sur la rugosit´e finale des motifs `a l’´etape DSA23.

Si la plupart des ´etudes cherchant `a ´evaluer l’influence des param`etres intrins`eques du CPB sur la rugosit´e `a l’´etape DSA ont ´et´e r´ealis´ees lorsque le CPB est align´e `a longue distance par DSA, certains groupes cherchent `a ´evaluer la rugosit´e directement sur des motifs auto-assembl´es en surface libre.

Les r´esultats sont cependant principalement obtenus par rugosit´e RMS (3 σ) [Kato et al., 2014, Peters et al., 2015]. Le groupe de Albrecht et al. a r´ealis´e ces mesures par PSD [Ruiz et al., 2017]. N´eanmoins, celles-ci ne prennent en compte que des morceaux de lignes droites de CPB, ne satisfaisant pas les recommandations de l’IRDS (longueur de ligne de 2 µm minimum).

Dans ce contexte, une m´ethodologie sp´ecifique sera d´evelopp´ee pour mesurer la rugosit´e sur des motifs de CPB auto-assembl´es en surface libre. Apr`es la mise en place de cette m´ethode

20. On choisi de quantifier la rugosit´e de ligne `a l’´etape DSA pour une surface de l’ordre de 100 µm<sup>2</sup>, afin de pouvoir mesurer la PSD de mani`ere statistique sur un grand nombre de lignes (sup´erieur `a 500).

21. Ces proc´ed´es sont d´efinis pr´ec´edemment en Section 1.2.2, `a partir de la Page 22. 22. cf. Section 1.3.3.1 `a partir de la Page 35.

innovante, nous chercherons `a ´evaluer l’impact de certains param`etres de proc´ed´e (temp´erature de recuit, ´energie de surface de la sous-couche, par exemples) sur la rugosit´e du L32.

Dans un second temps, les mesures de rugosit´e r´ealis´ees sur le CPB auto-assembl´e pourront ˆetre compar´ees `a celle obtenues apr`es le proc´ed´e ACE. Par exemple, l’impact des ´etapes de pr´e-structuration des motifs ou de la commensurabilit´e des guides, vis-`a-vis de la rugosit´e du L32 pourront ˆetre envisag´ees.

L’objectif final de cet axe est de donner des pistes quant `a la contribution de la rugosit´e des guides chimiques sur la rugosit´e du CPB align´e par DSA, en regard de la contribution de rugosit´e mesur´e lorsqu’il est auto-assembl´e en surface libre.

1.4.2.3 R´esum´e des axes de travail

Les principaux axes de travaux pr´esent´es pr´ec´edemment seront discut´es dans trois chapitres distincts.

Le protocole de mise en œuvre du proc´ed´e d’assemblage du L32 en surface libre ainsi que ceux du proc´ed´e ACE seront d´etaill´es dans le Chapitre 2. Les m´ethodes de caract´erisation d´evelopp´ees pour comprendre les ph´enom`enes `a l’origine de l’alignement DSA seront ´egalement pr´esent´ees.

Le Chapitre 3 traitera de la compr´ehension fine du proc´ed´e ACE, notamment `a l’aide de l’imagerie aux ´electrons r´etrodiffus´es. Apr`es transfert du proc´ed´e vers une lithographie 193i, le proc´ed´e ACE sera alors optimis´e pour obtenir une d´efectivit´e compatible avec les mesures de rugosit´e.

Les aspects li´es `a la rugosit´e de ligne du CPB L32 seront abord´es dans le Chapitre 4. Tout d’abord, une m´ethodologie de mesure de rugosit´e en surface libre sera mise en place, permettant ainsi d’´evaluer l’influence de certains param`etres de proc´ed´e sur la rugosit´e du L32. Ces r´esultats seront ensuite compar´es aux r´esultats de mesure de rugosit´e obtenus dans le cadre du proc´ed´e ACE.

Protocoles exp´erimentaux

R´esum´e du chapitre

Ce chapitre d´ecrit les m´ethodes mises en œuvre pour r´ealiser et caract´eriser l’auto-assemblage du PS-b-PMMA de p´eriode 32 nm, en surface libre ou dans le cadre du proc´ed´e ACE.

Une premi`ere partie se consacre au proc´ed´e d’auto-assemblage du L32 en surface libre, et aux m´ethodes de caract´erisation associ´ees. Les mat´eriaux utilis´es, les protocoles de d´epˆot, de recuit thermique et de retrait s´electif d’un bloc sont tout d’abord d´etaill´es. Le principe de l’imagerie MEB est ´egalement explicit´e, permettant la r´ealisation de clich´es `a l’interface sup´erieure du film de CPB (apr`es retrait du bloc de PMMA). Enfin, la m´ethodologie de mesure de d´efectivit´e et de p´eriodes de l’auto-assemblage du L32 est abord´e.

Une deuxi`eme partie pr´esente le proc´ed´e ACE, ainsi que les m´ethodes mises en œuvre afin de caract´eriser les ´etapes de pr´e-structuration chimique du substrat, et les r´esultats d’auto-assemblage dirig´e du CPB L32.

Ainsi, les ´etapes technologiques du proc´ed´e ACE sont tout d’abord d´etaill´ees. La m´ethode de cr´eation de cartographies de d´efectivit´e est ´egalement explicit´ee, puisque celle-ci est n´ecessaire `a l’´evaluation de l’impact de variations du proc´ed´e ACE autour du proc´ed´e de r´ef´erence sur le DSA. Enfin, les diff´erentes m´ethodes employ´ees pour la caract´erisation de la pr´e-structuration du substrat sont abord´ees, telle que l’imagerie aux ´electrons r´etrodiffus´es (BSE). Enfin, une derni`ere partie aborde la m´ethodologie d’´evaluation de la rugosit´e de ligne. La m´ethode de d´etection de bords de lignes `a partir d’images CD-SEM y est notamment d´ecrite. Cette m´ethode permet d’obtenir des PSD exp´erimentales et de calculer les param`etres de rugosit´e. Elle peut ˆetre employ´ee pour caract´eriser la rugosit´e de ligne des motifs aux diff´erentes ´etapes critiques du proc´ed´e ACE.