Développement de procédés de lithographie avancée par auto-assemblage de copolymères à blocs de haute résolution

Development of directed self-assembly process using high-resolution block copolymers

• Auteur / Autrice : Aurélie Le pennec
• Direction : Raluca Tiron, Maxime Argoud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 11/03/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Plain
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jumana Boussey
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Sinturel, Olivier Soppera

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fourier, Transformations de

Copolymères séquencés

Autoassemblage

Microlithographie

Mots clés libres

Densité spectrale de puissance

Auto-Assemblage dirigé

Copolymères à blocs haute résolution

Imagerie aux électrons rétrodiffusés

Rugosité de ligne

Power Spectral Density

Directed self-Assembly

Line Roughness

Backscattered electron microscopy

High-Resolution block copolymers

Résumé

Dans le contexte d’une miniaturisation des circuits imprimés dans l’industrie de la microélectronique, la lithographie 193 nm à immersion atteint aujourd’hui ses limites de résolution (de l’ordre de 80 nm). Une solution envisagée par l’industrie est l’auto-assemblage dirigé (DSA) des copolymères à blocs (CPB), technique associant une étape de lithographie et les propriétés intrinsèques d’auto-assemblage des CPB.Le procédé ACE est un procédé DSA permettant d’auto-diriger les CPB grâce à une pré-structuration chimique et topographique du substrat. Les mécanismes d’alignement des CPBs en jeu pour le procédé ACE ont tout d’abord été investigués. Ainsi, une caractérisation fine des différentes étapes de procédé a été réalisée et une méthode innovante de caractérisation, basée sur le contraste chimique des matériaux présents, a été mise en oeuvre : l’imagerie aux électrons rétrodiffusés. Cette méthode a notamment permis d’évaluer le nano-mouillage de couches polymères réticulées en milieu confiné.Dans un second temps, l’alignement DSA a été optimisé en vue d’une réduction drastique de la défectivité.Pour les dispositifs micro-électroniques dont la résolution est sub-10 nm, la quantification de la rugosité de ligne est primordiale. Pour les procédés DSA, la rugosité finale des motifs peut provenir de deux sources distinctes : les étapes de procédé, permettant de pré-structurer le substrat, ainsi que les propriétés intrinsèques du CPB. Afin de quantifier et de différencier au mieux les contributions de chaque source de rugosité, une méthodologie spécifique de mesure de rugosité par densité spectrale de puissance (PSD) a été mise en oeuvre, permettant de mesurer la rugosité sur des motifs courbes à partir d’images CD-SEM. Ces résultats sont finalement confrontés à la rugosité mesurée sur des motifs DSA.

There is a fixed limit to the maximum resolution the photolithography can provide in the context of the integrated circuit’s size reduction encouraged by the microelectronic industry. The Directed Self-Assembly (DSA) of Block Copolymer (BCP) rises as a solution to reduce critical dimensions of features. This technique associates a conventional lithography step with the intrinsic self-assembly properties of BCP.The ACE process enables the DSA of BCP through a chemical and topographical substrate pre-structuration. First, the BCP alignment mechanisms at stake for the ACE process are investigated. In order to finely characterize the different ACE process steps, an innovative method has been developed: BackScattered Electron imaging (BSE). Based on the chemical contrast of the material in presence at the substrate surface, we evaluated the nano-wetting properties of a cross-linked polymer in a confined environment for instance. Then, the DSA has been optimized to drastically reduce the self-assembly defectivity.For sub-10nm micro-electronic devices, the line roughness quantification is essential. For DSA processes, the final BCP pattern roughness can originate from two distinct sources: the ACE pre-structuration steps and the BCP intrinsic properties. To quantify and differentiate each source contribution to the line roughness, a specific method has been developed. This method aims at measuring line roughness on curved patterns, imaged by CD-SEM and based on the calculation of the Power Spectral Density (PSD). These results are finally confronted to line roughness measurements performed on BCP DSA patterns.