La photolithographie est l'ensemble des opérations permettant de transférer une image (généralement présente sur un masque) vers un substrat. Cette technique est très utilisée dans l'industrie du semi-conducteur. Les motifs de l'image ainsi transférée deviendront par la suite les différentes zones des composants électroniques (exemple : contact, drain…) ou les jonctions entre ces composants.
Introduction La fabrication des composants micro-électroniques repose sur un grand nombre de techniques, dont la complémentarité permet finalement 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 est la lithographie, dont l'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 ensuite transféré par contact sur le support à imprimer, comme Alphonse Poitevin et son procédé de photolithographie sur pierre, en 1855. On retrouve un grand nombre de dérivés de cette méthode dans les procédés d’imprimerie, et plus tard un procédé de ce type a été appliqué à la fabrication de semi-conducteurs, c’est la photolithographie.
Matériaux et procédés
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 ( 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.
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 semi-conducteur par excellence (le plus abondant, le moins cher à fabriquer et disposant des très bonnes propriétés de semi-conducteur). Il est aussi possible de trouver des matériaux semi-conducteurs composés, tels l'arséniure de gallium (GaAs), le nitrure de bore (BN), le phosphure d'indium (InP), ayant d'autres propriétés intéressantes. 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 le dioxyde de silicium () 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 capacités.
Chacun de ces matériaux doit être mis en œuvre selon des techniques adaptées, afin d'en obtenir les propriétés recherchées. Ainsi les métaux peuvent être déposés par des procédés de pulvérisation ou de craquage en phase vapeur ou par électrochimie (cas du cuivre), les oxydes de silicium seront créés par oxydation du silicium qui constitue les wafers ou par dépôt en phase vapeur
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, défini 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.
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 la résine exposée ou non selon sa solubilité et ainsi de mettre à nu la dernière couche mince déposée sur le substrat.
Dans le cas où la région exposée devient plus soluble, une image positive du masque est formée avec 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, dans le cas d'une gravure, va éliminer la couche du substrat (exemple : ) dans toutes les régions non recouvertes de résine, les motifs du masque seront alors reproduits sur la couche inférieure. Dans le cas d'un implant ionique, la résine suffisamment épaisse bloquera, là où elle est présente, l'implantation d'ions dans le substrat. Les photorésines doivent donc posséder deux qualités essentielles. Dans un premier temps offrir une bonne réponse à 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 ou l'implantation, ce qui implique une certaine résistance aux agents utilisés (acides, plasmas…) dans le cas de la gravure et une épaisseur suffisante.
Photorésines
Généralités
Les propriétés de base des résines photosensibles peuvent être 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 ( 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…
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/Formaldéhyde. 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.. 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. ce sont principalement des PGMEA (Propylène Glycol Monométhyl Éther Acétate) et des Éthyl Lactates (EEP, Éthyl 3-Éthoxy Propionate).
Les résines photosensibles positives sont couramment désignées par le terme Novolak-diazonaphtoquinone, ou DNQ-Novolak.
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..
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'ensuit 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..
Le mécanisme de formation des images dans de la résine positive est donc fondé 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.).
Caractéristiques Adhésion
L'adhésion des résines sur les substrats Si, 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.
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 semi-conducteur par diffusion. La quantité résiduelle de sodium (Na) et de potassium (K) dans les résines ne doit pas dépasser .
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).
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 de la vitesse de rotation.
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.
Opérations
Mise en œuvre des photorésines 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 réabsorption d'humidité est très rapide.