Imec démontre un motif ligne/espace de 18 nm de pas à l'aide d'un processus d'auto-assemblage dirigé à haute chi

Images REM en vue de haut (liens) et en coupe transversale (droite) d'un motif de lignes/espaces de 18 nm après High-χ-DSA, puis intégration dans une couche cible SiN.

Cette semaine, lors de la conférence SPIE Advanced Lithography 2021, imec, un centre de recherche et d'innovation de renommée mondiale dans le domaine de la nanoélectronique et des technologies numériques, a démontré pour la première fois la capacité de l'auto-assemblage dirigé (DSA) à structurer des lignes/espaces avec un pas de seulement 18 nm, en utilisant un procédé basé sur un copolymère à haute χ (High-χ BCP) dans des conditions de fabrication à haut volume (HVM). Une chimie de gravure à sec optimisée a été utilisée pour transférer avec succès le motif dans une couche de SiN épaisse en dessous, permettant une inspection supplémentaire des défauts. Ces résultats confirment le potentiel de la DSA comme complément à la structuration traditionnelle de type top-down pour la fabrication industrielle de nœuds technologiques inférieurs à 2 nm.

La miniaturisation continue des composants nécessitera la structuration de structures avec des distances critiques inférieures à 20 nm. À ces petites tailles, la lithographie top-down traditionnelle est de plus en plus mise à l’épreuve par des problèmes liés à la réaction des matériaux photosensibles à la lumière, tels que les défauts stochastiques lors de l’impression et la rugosité des bords/largeur de ligne (LER/LWR). Depuis 2010, l’industrie s’est intéressée à des approches de structuration alternatives bottom-up, telles que l’auto-assemblage dirigé (DSA), comme voie possible pour compléter et étendre la structuration basée sur la photolithographie.

La DSA utilise la microphase séparation d’un copolymère (BCP) pour définir un motif. Ce motif peut être généré en ajustant la composition et la taille du polymère. L’assemblage peut être guidé en utilisant un motif de référence constitué de lignes/espaces ou de trous. Cela conduit à un motif final régulier à l’échelle nanométrique avec un espacement beaucoup plus réduit (30-5 nm) que le modèle de référence. En 2019, imec a pu générer un motif de lignes/espaces avec un pas de 28 nm avec une faible et stable densité de défauts (c’est-à-dire ponts et dislocations), basé sur la DSA du copolymère PS-b-PMMA.

Fort de ces connaissances, imec concentre désormais ses efforts sur le développement du procédé DSA en direction de la structuration à pas inférieur à 20 nm en utilisant des copolymères de seconde génération, c’est-à-dire des high-χ BCP issus des partenaires matériaux de DSA d’imec (Merck KGaA, Darmstadt, Brewer Science Inc., Nissan Chemical Corp., Tokyo Ohka Kogyo Co. Ltd.). Le motif a été fabriqué à partir d’un motif de référence de 90 nm avec un pas complet, créé par lithographie par immersion 193 nm. Après 60 secondes d’auto-assemblage du high-χ BCP sur une surface compatible HVM (SCREEN Semiconductor Solutions Co., Ltd.), aucune dislocation n’a été détectée sur le motif L/S de 18 nm de pas dans le meilleur cas. « La transmission subséquente des lignes à rapport d’aspect élevé dans la pile de matériaux en dessous était très exigeante », explique Hyo Seon Suh, chef d’équipe des matériaux de structuration exploratoire chez imec. « En premier lieu, nous avons gravé un bloc du BCP avec un procédé de gravure à sec à sélectivité optimisée. Après ouverture du bloc, l’autre bloc a été transféré dans les couches en dessous, qui servent de masque dur pour la structuration ultérieure d’une couche de SiN. Une chimie de gravure à sec sur mesure, développée en étroite collaboration avec Tokyo Electron Ltd., a permis de transférer avec succès le motif de lignes/espaces de 18 nm dans une couche de SiN suffisamment profonde pour une inspection ultérieure des défauts, sans qu’il y ait de tremblement ou d’effondrement notable des lignes. » Lors d’une étape suivante, cette couche structurée sera utilisée pour mettre en place la métrologie pour l’inspection des défauts et les mesures de LER/LWR.

« Ces dernières années, la DSA a suscité un grand intérêt industriel, qui s’est traduit par le développement d’un écosystème précieux comprenant universités, fabricants d’équipements de mesure, fournisseurs de matériaux et de machines. Notre écosystème DSA a été la clé des résultats que nous avons obtenus jusqu’à présent », déclare Steven Scheer, vice-président des processus avancés de structuration et des matériaux chez imec. « Pour la première fois, nous avons montré que la DSA peut dépasser un pas de 20 nm pour produire des lignes et des espaces. Le procédé peut être adapté à des pas plus petits en augmentant progressivement la valeur χ du BCP. Nous croyons que cette méthode bottom-up peut compléter ou être utilisée en combinaison avec la lithographie EUV pour structurer les caractéristiques les plus critiques des composants de demain. »