DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION

La présente invention concerne la lithographie des circuits intégrés en général et décrit plus particulièrement un procédé de lithographie faisant intervenir plusieurs lithographies.

L'invention a pour application particulièrement avantageuse un procédé de lithographie permettant de graver des motifs sur différentes épaisseurs.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE

Avec l'intégration toujours plus grande des circuits produits par l'industrie de la microélectronique, la lithographie, technique essentielle utilisée à tous les stades de production de ces dispositifs, doit faire face à de nombreux défis pour pouvoir soutenir cette évolution.

En particulier, alors que la lithographie a été pendant des dizaines d'années une technique qui s'intéressait essentiellement à la production de motifs toujours plus petits et toujours plus précis, cependant dans un seul plan, on lui demande maintenant, qu'au cours d'une seule étape de fabrication, la gravure du ou des matériaux sous- jacents puisse aussi se faire sur au moins deux épaisseurs différentes.

Un exemple représentatif de cette évolution est la technique permettant la réalisation, au cours d'une même phase de fabrication, d'une ligne horizontale de câblage participant à l'interconnexion des dispositifs d'une couche supérieure d'un circuit intégré et, simultanément, des interconnexions verticales, c'est-à-dire les vias, pour connecter la couche supérieure à une couche inférieure déjà réalisée. Au moins cinq couches de câblage sont en effet le plus souvent nécessaires pour pouvoir interconnecter tous les composants d'un circuit intégré et il est important de réduire autant que se peut le nombre des étapes de fabrication. Connue sous le vocable anglais de « dual damascene » ou « damascene », c'est-à-dire respectivement « double damasquinage » ou « damasquinage » en référence au procédé médiéval d'incrustation de métaux, cette technique suppose que les emplacements des lignes d'interconnexions et des vias soient préalablement formés dans une couche d'oxyde déposée sur la couche d'interconnexion précédente. Des tranchées destinées à former les lignes d'interconnexion y sont gravées qui préservent une couche d'oxyde sous jacente servant d'isolant électrique. Les emplacements des vias sont réalisés, à l'intérieur des tranchées, sous forme de trous verticaux dans l'oxyde jusqu'à atteindre la couche inférieure à interconnecter. Il faut donc pouvoir réaliser deux épaisseurs de gravure différentes, une pour les tranchées et celle correspondant aux trous verticaux des vias. L'avantage de cette technique est que les trous verticaux et les tranchées d'interconnexion sont ensuite remplis, au cours d'une même opération de dépôt, par un métal sur toute la surface d'un substrat formé typiquement par une tranche de silicium. Les interconnexions sont effectivement formées après qu'un polissage mécano chimique de la tranche enlève le métal en excès et laisse seulement celui incrusté dans les tranchées et dans les trous verticaux destinés à former les vias.

De nombreuses mises en œuvre du double damasquinage ont été proposées qui ont cependant en commun la difficulté de devoir positionner précisément les deux niveaux de gravure de l'oxyde l'un par rapport l'autre c'est-à-dire les trous verticaux destinés à former les vias par rapport aux tranchées destinés à former les lignes d'interconnexion. Il est donc délicat de maîtriser la définition des motifs finaux obtenus. Cet inconvénient lié à la définition des motifs finaux est d'autant plus problématique que les motifs finaux présentent de très petites dimensions.

La présente invention a pour objectif de limiter au moins cet inconvénient. Plus particul ièrement, elle a pour objectif d'améliorer la définition des motifs nécessitant plusieurs étapes de lithographie. RÉSUMÉ DE L'INVENTION

La présente invention a pour objet un procédé de lithographie comprenant: une étape de préparation au cours de laquelle on dispose une couche de résine sur un substrat, une étape de lithographie préalable exécutée pour définir au moins un motif préalable dans la couche de résine et dans lequel l'étape de lithographie préalable comprend une étape de nano-impression au cours de laquelle un moule comportant des reliefs pénètre dans la couche de résine pour générer le au moins un motif préalable, chaque motif préalable définissant un creux dans la couche de résine et pour définir au moins une marque de positionnement formant un relief en creux dans la couche de résine. En outre, la procédé comprend au moins une étape de lithographie ultérieure appliquée à la couche de résine et comprenant les étapes suivantes :

- une étape préalable de positionnement consistant à positionner des moyens de lithographie en fonction de la au moins une marque de positionnement,

- au moins une étape de formation de motifs additionnels en creux dans la couche de résine utilisant les moyens de lithographie positionnés en fonction de la au moins une marque de positionnement, l'étape de formation des motifs additionnels comprenant une exposition d'une partie au moins de l'au moins un motif préalable.

Si l'exposition de la résine provoque la disparition de la résine exposée, le motif préalable est formé par une zone emboutie et le motif additionnel est alors également effectué en creux sur la zone emboutie. On peut ainsi par exemple obtenir un motif formé par des creux qui présentent au moins deux profondeurs différentes ou deux hauteurs différentes à l'intérieur de la couche résine, soit au moins deux marches d'escalier. En effet, le motif préalable définit une première profondeur et le motif additionnel, superposé au motif préalable, définit une deuxième profondeur. La profondeur se détermine par rapport à la surface libre de la couche de résine, c'est-à- dire par rapport à la face de la couche de résine par laquelle pénètre le moule lors de la nano-impression. La hauteur se détermine par rapport à la face de la couche de résine qui est au contact du substrat sur laquelle elle repose.

Si l'exposition de la résine provoque la disparition de la résine en dehors de la zone exposée (résine photosensible négative insolée), le motif final peut alors par exemple former une saillie présentant une première hauteur correspondant sensiblement à l'épaisseur de résine avant la lithographie ultérieure et une deuxième hauteur, moindre et correspondant à une zone emboutie lors de la nano-impression. La ou les marques de positionnement en relief permettent donc de positionner des étapes successives de lithographie les unes par rapport aux autres et de manière très précise. Les motifs obtenus au cours de l'étape de lithographie préalable sont donc bien positionnés par rapport aux motifs obtenus au cours des étapes de lithographie ultérieure. Les motifs finaux, formés dans deux niveaux de profondeur, présentent donc une bonne définition tout en étant possiblement de taille faible, typiquement inférieure au micromètre.

En outre, les marques sont réalisées dans la résine. L'invention ne nécessite donc pas de créer les marques de positionnement dans le substrat et préalablement à la définition des motifs. Elle permet alors d'éviter des étapes de gravure et d'élimination de résine, habituellement désignée par le vocable anglais stripping, qui sont habituellement nécessaires à la création de marques dans le substrat mais qui dégradent ce dernier. En particulier, il s'est avéré que les solutions ou techniques de gravure et d'élimination de résine peuvent dégrader les couches inférieures du substrat. La mise en œuvre d'étapes de gravure peut donc être préjudiciable particulièrement lorsque le substrat comporte sous la résine des couches de circuit intégré déjà réalisées.

L'invention a donc également pour avantage de préserver l'intégrité du substrat et des éventuelles couches qu'il comporte.

En outre, l'invention permet de former les marques de positionnement au cours d'une étape de formation de motifs. Elle tend donc à réduire le nombre total d'étapes et donc les coûts.

Selon un autre aspect, la présente invention a pour objet un procédé de lithographie comprenant: une étape de préparation au cours de laquelle on dispose une couche de résine sur un substrat et une étape de lithographie préalable exécutée de sorte à définir au moins un motif préalable dans la couche de résine. De manière caractéristique, la procédé comprend, au cours de l'étape de lithographie préalable, la formation d'au moins une marque de positionnement formant un relief dans la couche de résine. En outre il comporte au moins une étape de lithographie ultérieure appliquée à la couche de résine et comprenant les étapes suivantes : une étape préalable de positionnement consistant à positionner des moyens de lithographie en fonction de la au moins une marque de positionnement ; une étape de formation de motifs additionnels dans la couche de résine utilisant les moyens de lithographie positionnés en fonction de la au moins une marque de positionnement. De manière facultative, le procédé selon l'invention peut présenter au moins l'une quelconque des étapes et caractéristiques optionnelles suivantes :

Au moins l'un parmi les motifs additionnels est superposé à l'au moins un motif préalable de sorte à former au moins un motif en trois dimensions dans la couche de résine.

De manière alternative, à la formation de motifs en trois dimensions, les motifs additionnels ne sont donc pas superposés à l'au moins un motif préalable. On obtient ainsi des motifs en deux dimensions dont les positionnements relatifs sont améliorés.

L'étape de positionnement comprend la détection des marques de positionnement par diffraction de lumière.

Avantageusement, au moins un motif additionnel est superposé à au moins un motif préalable. L'étape de formation des motifs additionnels est effectuée de sorte à former au moins un motif final en creux présentant au moins deux niveaux de profondeur dans la couche de résine. Alternativement, l'étape de formation des motifs additionnels est effectuée de sorte à former au moins un motif final en saillie présentant au moins deux niveaux de hauteur.

Le procédé comprend, suite à l'au moins une étape de lithographie ultérieure, une étape de transfert consistant à transférer le au moins un motif préalable et les motifs additionnels depuis la couche de résine dans le substrat.

Selon une première variante, les marques de positionnement sont conservées à l'issue de l'au moins une étape de lithographie ultérieure. Les marques de positionnement peuvent ainsi être réutilisées par d'autres étapes de lithographie ultérieures, limitant de ce fait le nombre d'étapes nécessaires et simplifiant le procédé de fabrication global. Eventuellement, les marques de positionnement sont par la suite transférées depuis la couche de résine dans le substrat pour être réutilisées par d'autres lithographies de sorte à avoir un bon positionnement relatif de l'ensemble des motifs obtenus par lithographie. En outre le nombre d'étapes nécessaires à l'obtention du produit final sera réduit.

Selon une deuxième variante, les marques de positionnement sont supprimées au cours de l'au moins une étape de lithographie ultérieure. Typiquement, afin de faire disparaître ces marques de positionnement, il suffira de les insoler si la résine est une résine photosensible positive. Si la résine est une résine photosensible négative, il suffira de ne pas insoler ces marques.

Selon une dernière variante, ces marques peuvent être finalement modifiées, après avoir servi à l'alignement, pour former un motif utile qui sera transféré dans le substrat. Avantageusement, dans ces deux dernières variantes on ne perd pas de place au niveau du substrat avec les marques d'alignement. Cette place peut être utilisée pour réaliser des zones fonctionnelles. L'étape de transfert comprend une étape de gravure de la couche de résine et du substrat. La gravure a avantageusement une sélectivité sensiblement identique pour la résine et pour le substrat. Mais il est possible également d'admettre une certaine sélectivité, on peut s'en servir notamment pour influer sur la forme du motif transféré, en privilégiant une gravure par rapport à l'autre pour obtenir des aspect ratio différents. De manière particulièrement avantageuse, l'étape de gravure comprend une attaque plasma. Ce type de gravure est essentiellement anisotrope c'est-à-dire que la gravure a lieu essentiellement dans une direction perpendiculaire au plan du substrat. Les parois des motifs seront relativement bien préservées, conservant de ce fait les faibles dimensions des motifs. Ce type de gravure permet donc d'améliorer le contrôle de la précision obtenue.

Avantageusement, au moins l'un parmi les motifs additionnels est superposé à l'au moins un motif préalable de sorte à former au moins un motif en trois dimensions et l'étape de transfert est exécutée de sorte à transférer le au moins un motif en trois dimensions depuis la couche de résine dans le substrat pour former dans le substrat au moins un motif final en trois dimensions dans la couche de résine.

Avantageusement, le procédé comprend également une étape d'apport d'un matériau électriquement conducteur dans le au moins un motif final en trois dimensions.

Préalablement à l'étape de préparation, on réalise au moins une couche d'un circuit intégré dans le substrat. En outre, l'étape de transfert et l'étape d'apport sont exécutées de sorte que le matériau électriquement conducteur forme une ligne d'interconnexion ainsi qu'une interconnexion verticale reliant ladite ligne à la au moins une couche du circuit intégré.

La ligne est formée par une tranchée qui s'étend dans un plan sensiblement parallèle à la surface du substrat. L'interconnexion verticale, ou via, est formée par un trou vertical recevant un matériau électriquement conducteur et s'étendant sensiblement perpendiculairement à la surface du substrat et depuis la tranchée. Il s'étend jusqu'à une couche sous jacente du substrat formant ou destinée à former une couche du circuit intégré. L'invention permet ainsi de réaliser des interconnexions de manière particulièrement précise puisque les marques de positionnement permettent de positionner très précisément les trous verticaux par rapport aux tranchées destinées à former les lignes. En outre, l'obtention de ces interconnexions est effectuée sans dégrader les couches sous jacentes du substrat. Avantageusement, le matériau électriquement conducteur est en cuivre.

L'invention s'avère particulièrement avantageuse puisque ce matériau présente comme inconvénient de ne pas être déposable par les techniques habituelles telles de sérigraphie mais qui présente comme avantage de mieux conduire l'électricité que les matériaux usuellement employés avec ces technique habituelles. Le cuivre grâce à ces propriétés de conduction permet ainsi de li miter la puissance nécessai re au fonctionnement du circuit. I l permet également de réduire la largeur des lignes et interconnexions conduisant ainsi à une réduction de la taille des circuits intégrés.

L'étape de lithographie préalable est distincte de l'étape de lithographie ultérieure.

De manière préférée, l'étape de lithographie préalable comprend une étape de nano-impression au cours de laquelle un moule comportant des reliefs pénètre dans la couche de résine pour générer la au moins une marque de positionnement et le au moins un motif préalable.

Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux puisqu'il permet notamment de générer des marques de positionnement en relief sans nécessiter d'étape de gravure et d'élimination de résine supplémentaire qui pourraient par ailleurs dégrader le substrat. En outre, il ne nécessite pas d'étape de développement de la résine pour obtenir les marques de positionnement en relief, évitant de ce fait toute contamination de la résine par les solutions de développement. La qualité des motifs obtenus par les étapes ultérieures sera donc améliorée.

En outre, ce mode de réalisation permet de définir des motifs de très petite taille. L'étape de formation de motifs additionnels dans la couche de résine comprend une étape de photolithographie ou une étape de lithographie par faisceau d'électrons ou une étape de lithographie par faisceau d'ions.

La succession d'une étape de lithographie par nano-impression suivie d'une étape de lithographie optique, électronique ou ionique positionnée par rapport à l'étape de lithographie par nano-impression permet de définir des motifs d'une très grande précision et dont la position relative est parfaitement maîtrisée.

L'étape de nano-impression est effectuée de manière à ce que le au moins un motif préalable définisse un creux dans la résine et à ce que l'étape de formation de motifs additionnels est effectuée de sorte à ce que au moins l'un des motifs additionnels soit au moins partiellement superposé audit motif préalable définissant un creux. Ce procédé permet donc de générer dans la résine des motifs en trois dimensions dont la précision de la forme est améliorée. En particulier ce mode de réalisation s'avère très avantageux pour obtenir des motifs en trois dimensions dont les dimensions sont réduites, typiquement inférieures à 100 voire 50 nanomètres et dont la maîtrise de la forme est améliorée.

En outre ce mode de réalisation permet d'obtenir des motifs en trois dimensions isolés les uns des autres. Les techniques connues de formation de motifs en trois dimensions se basent sur une continuité de certains motifs afin de limiter les conséquences, sur la forme des motifs finaux, des imprécisions de positionnement relatif entre les étapes successives de lithographie.

Le procédé selon l'invention permet ainsi d'obtenir des motifs en trois dimensions, de petite taille et isolés les uns des autres. Selon un mode de réalisation, l'étape de formation de motifs additionnels est effectuée de sorte à ce que au moins l'un des motifs additionnels est au moins partiellement superposé audit motif préalable définissant un creux et de sorte à faire disparaître les résidus de résine dans le fond du creux ou de sorte à créer des trous s'étendant depuis le creux jusqu'au substrat.

Ce procédé selon l'invention permet ainsi de faire disparaître la résine dans le fond des motifs si toute la largeur du motif préalable, soit toute la zone emboutie lors de la lithographie préalable, est recouverte par le motif additionnel. On résout ainsi un inconvénient important de la lithographie par nano-impression.

Alternativement, en ne faisant disparaître la résine que sur une partie du motif préalable, c'est-à-dire que sur une partie de la zone emboutie lors de la lithographie préalable, on peut alors réaliser des ouvertures permettant une communication entre le motif préalable et le substrat. Les motifs finaux ainsi obtenus permettent typiquement de réaliser des interconnexions verticales entre plusieurs niveaux d'un circuit intégré.

Selon un mode de réalisation avantageux, la résine est une résine photosensible, l'étape de formation de motifs additionnels dans la couche de résine comprend une étape de photolithographie et ladite exposition comprend une insolation d'une partie au moins de l'au moins un motif préalable.

Selon un mode de réalisation avantageux, l'étape de formation de motifs additionnels dans la couche de résine comprend une étape de lithographie par faisceau d'électrons ou une étape de lithographie par faisceau d'ions et l'exposition comprend une écriture d'une partie au moins de l'au moins un motif préalable.

Selon un mode de réalisation avantageux, la résine est une résine photosensible positive, l'étape de lithographie ultérieure comprend une étape de photolithographie comprenant une étape d'insolation effectuée de sorte à faire disparaître les résidus de résine dans le fond du creux ou de sorte à créer des trous s'étendant depuis le creux jusqu'au substrat.

De préférence, l'étape de lithographie préalable définie des premières zones présentant une première épaisseur et des deuxièmes zones présentant chacune une épaisseur inférieure à la première épaisseur, et dans lequel la au moins une étape de lithographie ultérieure est effectuée de sorte à faire disparaître la résine au moins en partie dans au moins certaines des deuxièmes zones. Le procédé permet ainsi de faire disparaître des résidus de résine dans le fond des deuxièmes zones ou de créer des trous s'étendant depuis ces deuxièmes zones jusqu'au substrat. Selon un mode de réalisation l'étape de formation de motifs additionnels dans la couche de résine comprend une étape de photolithographie ou une étape de lithographie par faisceau d'électrons ou une étape de lithographie par faisceau d'ions.

Selon un autre mode de réalisation l'étape de formation de motifs additionnels comprend une étape de nano-impression au cours de laquelle un moule comportant des reliefs pénètre dans la couche de résine pour générer les motifs additionnels.

Le procédé peut également comprendre plusieurs étapes de lithographie ultérieures comprenant chacune une étape de formation de motifs additionnels prise parmi : une étape de nano-impression, une étape de photolithographie, une étape de lithographie par faisceau d'électrons, une étape de lithographie par faisceau d'ions. En particulier, on prévoit qu'une première étape de lithographie ultérieure comprend une étape de photolithographie et qu'une deuxième étape de lithographie ultérieure comprend l'une parmi les étapes suivantes : une étape de photolithographie, une étape de lithographie par faisceau d'électrons, une étape de lithographie par faisceau d'ions.

L'invention permet ainsi de réaliser plusieurs lithographies sans effectuer d'étapes préliminaires de génération de marques d'alignement dans le substrat. Ainsi on réduit le nombre d'étapes (et donc le coût) pour réaliser une combinaison de lithographies avec alignement.

De préférence, la marque de positionnement forme un relief en creux dans la couche de résine. Alternativement, la marque de positionnement forme un relief en saillie dans la couche de résine. Selon une possibilité la marque de positionnement forme un motif préalable.

La marque de positionnement servant au positionnement des étapes de lithographie ultérieures est donc également transférée dans le substrat.

Selon une possibilité les motifs préalables présentent une profondeur inférieure à la profondeur des marques d'alignement.

Selon un autre aspect, l'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif microélectronique comprenant au moins une étape de lithographie pour générer des motifs dans une résine surmontant un substrat et faisant intervenir un appareil de lithographie, dans lequel l'étape de lithographie comprend une étape de positionnement de l'appareil de lithographie. L'étape de positionnement comprend une étape de détection d'au moins une marque de positionnement formée en relief dans la couche de résine et une étape de positionnement de l'appareil de lithographie par rapport à l'au moins une marque de positionnement.

Par dispositif microélectronique, on entend tout type de dispositif réalisé avec des moyens de la microélectronique. Ces dispositifs englobent notamment en plus des dispositifs à finalité purement électronique, des dispositifs micromécaniques ou électromécaniques (MEMS, NEMS... ) ainsi que des dispositifs optiques ou optoélectroniques (MOEMS... ). Ce procédé peut comprendre au moins l'une quelconque des caractéristiques précédentes. En particulier, la au moins une marque de positionnement peut avantageusement être obtenue par une étape de nano-impression. Selon un autre aspect, l'invention a pour objet un ensemble multicouches obtenu selon l'un quelconque des modes de réalisation de la méthode exposée ci- dessus.

L'invention a encore pour objet un ensemble multicouches comprenant un substrat surmonté d'une couche de résine caractérisé en ce que la couche de résine comprend au moins une marque de positionnement formée en relief dans la couche de résine et configurée pour permettre le positionnement d'un appareil de lithographie relativement à cette au moins une marque de positionnement.

De manière optionnelle mais particulièrement avantageuse, la au moins une marque de positionnement est obtenue par nano-impression.

Avantageusement, la au moins une marque de positionnement présente une profondeur supérieure à la profondeur des motifs préalables.

Selon un mode de réalisation particulier, le motif final présente plus de deux niveaux de profondeur ou plus de deux hauteurs. Avantageusement, le moule présente des reliefs présentant plusieurs hauteurs pour définir des motifs préalables de profondeur différentes.

Un autre objet de la présente invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif microélectronique à partir d'un ensemble multicouches selon l'invention, comprenant au moins une étape de lithographie pour générer des motifs dans la couche de résine de l'ensemble multicouches et faisant intervenir un appareil de lithographie. L'étape de lithographie comprend une étape de positionnement de l'appareil de lithographie. L'étape de positionnement comprend une étape de détection de l'au moins une marque de positionnement formée en relief dans la couche de résine et une étape de positionnement de l'appareil de lithographie par rapport à l'au moins une marque de positionnement.

Avantageusement, l'étape de lithographie comprend en outre une étape de formation de motifs additionnels dans la couche de résine utilisant l'appareil de lithographie positionné en fonction de la au moins une marque de positionnement, l'étape de formation des motifs additionnels comprenant l'exposition d'une partie au moins de l'au moins un motif préalable de sorte à former au moins un motif final en creux présentant au moins deux niveaux de profondeur dans la couche de résine ou un motif final en saillie présentant au moins deux niveaux de hauteur. Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description détaillée d'un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d'accompagnement suivants dans lesquels :

La FIGURE 1 , comprenant les figures 1 a à 1 g , illustre un exemple de mode de réalisation du procédé selon l'invention, cet exemple de procédé permettant de réaliser une lithographie tridimensionnelle avec une excellente définition.

La FIGURE 2 illustre le positionnement optimum des dispositifs sur une tranche en cours de fabrication.

Les dessins joints sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l'invention.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION

La figure 1 , qui comprend les figures 1a à 1 g, illustre les étapes principales de mise en œuvre du procédé selon l'invention qui permet de réaliser une lithographie tridimensionnelle avec une excellente définition. Comme cela sera rappelé par la suite, la présente invention n'est pas limitée à la réalisation de motifs en trois dimensions. Cependant la réalisation de motif en trois dimensions fait ressortir de manière particulièrement explicite les avantages de l'invention. Dans le cadre de la présente invention, on désigne par motif en trois dimensions un motif présentant dans une couche donnée, par exemple une résine ou un substrat, au moins deux niveaux de profondeur au dessous de la face supérieure de la couche lorsque le motif est en creux ou au moins deux niveaux de hauteur au dessus d'une face supérieure de la couche lorsque le motif est en saillie. Cela apparaît clairement sur les figures 1f et 1 g par exemple qui seront décrites en détail par la suite.

L'invention combine plusieurs types de lithographie qui ont été développés au fil des ans. La lithographie par impression nanométrique, de l'anglais « nanoimprint lithography » ou NIL, consiste à définir des motifs de taille nanométrique à partir d'un moule que l'on imprime. Cette technique connue depuis le milieu des années 90 fait désormais partie de la feuille de route internationale des technologies pour les semiconducteurs ou ITRS « international technology roadmap for semiconductors ».

Comme illustré en figure 1 a l'invention met en œuvre cette technique en partant d'une couche sensiblement uniforme de résine 110. Cette couche de résine 1 10 est déposée d'une façon traditionnelle sur les dispositifs en cours de fabrication. Typiquement elle est déposée par centrifugation usuellement désignée « spin coating ». L'invention ne fait pas d'hypothèse sur la nature du dispositif en cours de fabrication. Il s'agira typiquement d'un circuit intégré, ou de n'importe quel type de dispositif, optoélectronique ou électromécanique, développé et produit par l'industrie de la microélectronique et qui requiert l'emploi de la lithographie pour définir des motifs géométriques à chaque étape de fabrication. Le substrat 100 ou support sur lequel est déposé la couche de résine 1 10 est donc par exemple une tranche d'un semi conducteur sur lequel sont élaborés des dispositifs. La tranche est par exemple constituée d'un semi conducteur cristallin, typiquement de silicium. La couche de résine 1 10 couvre le substrat 100 ou tranche sur toute sa surface. Le substrat 100 peut être à un stade avancé de sa fabrication. Notamment, chaque substrat peut déjà comporter un grand nombre de couches diverses, non représentées, portant un très grand nombre de motifs.

L'étape suivante, schématisée sur la figure 1 b, est une étape de lithographie préalable. Elle consiste notamment à imprimer dans la couche de résine 110 les motifs en relief 122 d'un moule 120 servant à définir une partie des motifs d'épaisseurs différentes à réaliser dans la couche à graver. Typiquement, dans le cas d'une mise en œuvre de l'invention pour le double damasquinage discuté dans le chapitre sur l'état de la technique, il s'agit là de former dans la résine 1 10, à l'aide du moule, les tranchées qui, après transfert dans une couche d'oxyde sous jacente, seront remplies du métal utilisé pour former les lignes interconnexions.

Le retrait du moule qui est schématisé sur la figure 1c peut s'effectuer après solidification de la résine 1 10. Le moule étant en place, la mise en forme est obtenue en chauffant l'ensemble (moule, résine 1 10 et substrat 100), à une température qui ne doit pas excéder la température de réticulation dans le cas d'une résine photosensible négative ou la température de déprotection thermique dans le cas d'une résine photosensible positive afin de préserver toutes leurs propriétés photosensibles. La solidification s'opère après l'étape de chauffage. Cette technique est plus connue sous l'acronyme TNIL pour thermal nanoimprint lithography, soit lithographie combinée à une nano impression thermique.

Le moule laisse dans la résine 110 autant d'empreintes 1 12 qu'il y a de reliefs

122 dans celui-ci. Par souci de clarté, sans que cela ne gêne en rien la description de l'invention ni n'en limite sa portée, une seule empreinte 1 12 est ici représentée. En pratique, par exemple pour réaliser un circuit intégré dont les plus denses peuvent maintenant comprendre des centaines de millions de transistors voire dépasse le milliard, un nombre correspondant de motifs pourra devoir être imprimé par le moule au cours d'une seule opération d'impression. On notera également que l'échelle à laquelle l'empreinte 1 12 unique est représentée est sans commune mesure avec la représentation du substrat 100 et du moule 120. Les substrats ou tranches ont en effet couramment un diamètre jusqu'à plusieurs dizaines de centimètres (10 ^"2 mètre), typiquement 30 centimètres, alors que les motifs à imprimer se mesurent en dizaines de nanomètres (10 ^"9 mètre).

L'invention prévoit que des marques de positionnement 116, également désignées marques d'alignement, sont imprimées dans la résine 1 10 au cours de la même opération d'impression et sont donc présents sur le moule, comme les motifs, sous forme de reliefs. Ces marques de positionnement 1 16 sont utilisées d'une façon standard par les dispositifs de positionnement des substrats. Elles vont servir à l'opération de lithographie suivante décrite ci-après.

Cette étape a donc permis la définition d'un ensemble multi couches 200 comprenant un substrat 100, une couche de résine 1 10 dans laquelle au moins une marque de positionnement 6 et de préférence plusieurs marques de positionnement 1 16 sont formées.

Dans le mode de réalisation illustré, les marques de positionnement 1 16 sont non fonctionnelles pour les circuits en cours de fabrication. Elles ont pour unique fonction de permettre le positionnement de plusieurs lithographies successives. En effet, ces marques présentent habituellement des formes spécifiques qui facilitent leur détection par les systèmes de détection et de positionnement.

Dans le cadre de la présente invention, les marques présentent des formes standard aptes à être détectées par les systèmes habituels de positionnement. Selon une variante de réalisation, les marques servent également à la définition de motif du circuit à réaliser. Le nombre et la disposition des marques sur le substrat 100 dépendent du type de système de positionnement utilisé. Elles sont par exemple au nombre de quatre et situées, comme représenté, près de la périphérie des substrats là où les défauts de positionnement peuvent se constater avec une plus grande amplitude.

Dans toutes les empreintes 1 12 laissées par le moule on remarquera qu'il reste une épaisseur 1 11 contrôlée de résine 1 10 qui dépend de l'épaisseur initiale de résine 10 déposée par centrifugation et de la hauteur des reliefs 122 du moule 120. Dans la mise en œuvre standard de la lithographie par impression nanométrique ceci est considéré comme un résidu qu'il est nécessaire d'enlever avant de pouvoir transférer les motifs imprimés dans la couche sous jacente à graver. Comme on va le voir ci-après l'invention tire avantage de cet inconvénient pour obtenir des épaisseurs de résine différentes au cours d'une même opération de lithographie. L'étape de lithographie préalable consiste donc à former dans la couche de résine des motifs préalables et des marques de positionnement. Dans l'exemple illustré cette étape comprend une impression nanométrique. Néanmoins, les motifs préalables et les marques de positionnement peuvent être formés dans la résine par une lithographie optique ou par faisceau d'ions ou par faisceau d'électrons. Pour cela, on peut prévoir avantageusement de déposer une bicouche de résine photosensible, les deux couches de résine ayant soit des tonalités différentes, soit si elles ont la même tonalité, des sensibilités différentes à l'insolation. On pourra par exemple utiliser un empilement d'une résine négative, par exemple au contact du substrat, et d'une résine positive. On viendra ensuite insoler et développer cette résine positive pour former les motifs souhaités.

Cette étape de lithographie préalable est suivie d'au moins une étape de lithographie ultérieure appliquée à la couche de résine. Pour chaque étape de lithographie ultérieure on effectue un positionnement par rapport aux marques de positionnement, puis une étape de formation de motifs additionnels dans la couche de résine. De manière connue l'étape de positionnement comprend une étape de détection et de localisation des marques de positionnement.

Dans l'exemple illustré sur la figure 1 d l'étape de formation des motifs additionnels comprend une étape de lithographie optique. Il s'agit d'une opération standard d'insolation 140 de la résine à travers un masque 130 qui aura pu être positionné très précisément grâce aux marques de positionnement 116 imprimées par le moule lors de l'étape de lithographie préalable. Le masque est de façon standard un masque fait d'un matériau transparent 132, du quartz, sur lequel des motifs opaques en chrome 134 ont été formés. Selon la mise en œuvre particulière de cette opération standard de lithographie optique, le masque, après positionnement, pourra être appliqué soit directement sur la couche de résine 1 10 (lithographie par contact) soit à proximité pour l'insoler sélectivement à travers les parties transparentes. Le masque peut être aussi un réticule, c'est-à-dire un masque agrandi généralement d'un seul des dispositifs en cours de fabrication. L'image réduite du réticule est alors projetée et répétée avec des moyens optiques et mécaniques appropriés, non représentés, sur toute la surface de résine 110 couvrant le substrat 100 afin d'obtenir une meilleure définition des motifs.

L'étape de formation des motifs additionnels dans la couche de résine de la figure 1d peut être aussi réalisée sans masque en insolant la résine 110 avec un faisceau d'ions ou un faisceau d'électrons guidé pour dessiner chacun des motifs. Cette dernière technique est connue sous les noms de « lithographie par faisceau d'électrons » ou « lithographie électronique » et souvent désignée par l'abréviation « e- beam » de l'anglais « électron beam ». La lithographie électronique est la technique qui permet d'obtenir une résolution très élevée des motifs à graver au prix d'avoir à dessiner séquentiellement chacun des motifs de chacun des dispositifs d'un substrat. Opération qui est très longue et donc coûteuse.

Ainsi, dans le cadre de la présente invention, on désigne par exposition d'une zone de résine aussi bien une insolation de la zone de résine si la lithographie est une photolithographie ou écriture de la zone de résine si la lithographie est une lithographie par faisceau d'ions ou d'électrons.

L'étape de formation des motifs additionnels dans la couche de résine peut également comprendre une nouvelle impression nanométrique.

Quelle que soit la technique de lithographie utilisée à ce stade, le procédé selon l'invention emploie les marques d'alignement 116 discutées précédemment pour se positionner très précisément par rapport à l'opération d'impression nanométrique précédente.

La figure 1e donne des exemples de masques, 131 et 133, à utiliser respectivement avec une résine photosensible négative et avec une résine photosensible positive afin d'obtenir des épaisseurs de résine différentes.

Avec une résine photosensible positive les zones insolées à travers les parties transparentes du masque 133 deviennent solubles et disparaissent lors de l'opération de développement de la résine qui suit l'insolation. L'utilisation d'une résine positive et d'un masque de type 133 se prête donc bien à une utilisation de l'invention pour le double damasquinage discuté dans le chapitre sur l'état de la technique. Dans ce cas, la surface des ouvertures 136 du masque est très faible et correspond dans cet exemple aux trous d'interconnexion 118 qui doivent être formés dans les empreintes 1 12 laissées par le moule 120 dans la résine. Le masque 133 est donc majoritairement couvert de chrome 134. À nouveau, on notera que par souci de clarté seuls deux trous d'interconnexion, sont représentés sur le masque 133 alors qu'en pratique un très grand nombre devront bien sûr être formés pour assurer les interconnexions verticales entre la couche en cours de réalisation et la couche inférieure déjà réalisée.

Le résultat de la lithographie optique correspondant à l'utilisation d'une résine positive avec le masque de type 133 est montré sur la figure 1f, en coupe à travers l'un des motifs additionnels 118 forment des trous d'interconnexion, et en vue de dessus. Les deux trous d'interconnexion de cet exemple sont formés au fond des tranchées 1 12 correspondant aux zones embouties par le moule 120 après insolation et développement de la résine 100. On obtient bien deux épaisseurs de résine : 1 13 et 1 14. Comme indiquées par des flèches sur les figures, ces épaisseurs sont définies depuis la face de la couche de résine 110 qui repose sur le substrat 100. La zone 1 14 a été emboutie par le moule. L'épaisseur de cette zone a donc diminuée par rapport à l'étape 1a. La zone 1 13 n'a pas été ou a été faiblement emboutie par le moule. En outre la zone correspondant au motif additionnel 1 18 définit une autre épaisseur de résine qui est nulle. La structure du motif final 1 17 avant transfert présente donc deux hauteurs différentes de creux dans la couche de résine, une hauteur de creux nulle correspondant à la zone 108 et une hauteur de creux 114 correspondant au creux laissé par les empreintes 1 12 du moule 120. Autrement dit, le motif final 117 présente deux profondeurs différentes, une profondeur égale à l'épaisseur de la couche de résine et qui est obtenue à l'issue de la lithographie ultérieure et une profondeur inférieure formée par le creux laissé par les empreintes 1 12 du moule 120. A l'issue de la lithographie ultérieure, on obtient ainsi bien un motif 1 17 présentant deux niveaux de profondeur dans la résine. On peut donc mesurer au moins trois épaisseurs de résine différentes et dans un ordre croissant: une première épaisseur 1 13 là où la couche n'a pas été modifiée ou a été faiblement modifiée, une deuxième épaisseur 114 définie par un creux formé lors de la lithographie préalable et une troisième épaisseur définie par un creux formé lors de la lithographie ultérieure, cette épaisseur étant nulle dans l'exemple illustré en figure 1f. Les motifs ainsi formés sur deux niveaux dans la résine 1 10 sont transférables dans la couche sous jacente à l'aide d'une gravure sèche anisotrope permettant de transférer des motifs depuis la résine 1 10 au substrat 100. Cette gravure peut être purement physique : il n'y a pas de réaction chimique avec le substrat 100, la gravure résulte uniquement du bombardement de l'échantillon par des ions (gravure IBE : ion beam etching soit gravure par faisceau d'électrons). Elle peut également être au moins partiellement chimique (PE plasma etching, RIE reactive ion etching). Si le substrat et la résine présentent une sensibilité sensiblement équivalente à la gravure, les motifs seront transférés sans déformation depuis la résine au substrat. Il est possible également d'admettre un certain degré de sélectivité entre la résine et le substrat pour adapter la forme des motifs transférés.

Utilisée pour mettre en œuvre la technique de double damasquinage la structure multidimensionnelle du motif final 117 obtenue à l'issue de la seconde lithographie optique servira, après transfert dans une couche d'oxyde sous jacente, à former les lignes d'interconnexion de la couche de câblage correspondante ainsi que les vias avec la couche de câblage inférieure. Le procédé de l'invention n'est en rien limité à être utilisé seulement pour le double damasquinage. Il peut avantageusement servir pour d'autres applications en lithographie chaque fois où il faut pouvoir obtenir deux épaisseurs de résine 1 10 différentes ou qu'il faudra faire intervenir des opérations de lithographie devant être mutuellement positionnées avec précision.

La figure 1g montre le résultat de l'utilisation d'une résine négative et d'un masque de type 131. Dans le cas d'une résine photosensible négative ce sont les zones insolées qui devien nent i nsol u bles et restent donc en pl ace après développement de la résine. On obtient comme précédemment, après la seconde lithographie optique, deux niveaux de résine (113 et 1 14) avec un motif final 1 19 cependant différent pour d'autres applications du procédé. Comme indiqué ci-dessus cette structure de résine est transférée dans la couche sous jacente en ayant recours à une gravure anisotrope ici non sélective du type gravure plasma afin d'obtenir deux profondeurs de gravure différentes 102 sans déformation des motifs 1 19.

A l'issue de la lithographie ultérieure, on obtient ainsi un motif 1 19 présentant deux niveaux de profondeur dans la résine. On peut donc mesurer au moins trois épaisseurs de résine différentes et dans un ordre croissant: une première épaisseur 1 13 là où la couche n'a pas été modifiée ou a été faiblement modifiée, une deuxième épaisseur 114 définie par un creux formé lors de la nano-impression et une troisième épaisseur définie par un creux formé lors de la photolithographie ultérieure, cette épaisseur étant nulle dans l'exemple illustré en figure 1 g. Ce motif 1 19 en trois dimensions peut ainsi être transféré dans le substrat 100.

Le procédé décrit ci-dessus permet d'obtenir un excellent alignement entre les deux niveaux de lithographie. C'est-à-dire, entre l'étape de lithographie préalable (impression nanométrique dans le cas illustré) et l'étape de lithographie ultérieure (lithographie optique dans le cas illustré) en utilisant les marques de positionnement 1 16 imprimées dans la résine 110 lors de l'étape de lithographie préalable. On obtient ainsi des motifs finaux présentant un parfait positionnement des motifs préalables et des motifs additionnels. Lorsque la combinaison de ces motifs définit des motifs en trois dimensions, ces motifs en trois dimensions présentent alors une très bonne définition.

L'invention se révèle particulièrement avantageuse pour réaliser des motifs 3D isolés et de très petites dimensions, c'est-à-dire avec des dimensions typiquement inférieures à 100 nanomètres.

De manière particulièrement avantageuse, les marques de positionnement sont générées et sont détectées dans la couche résine. L'invention ne nécessite pas d'étape de gravure de marques de positionnement pour les transférer dans le substrat. Aucune étape de gravure ou de stripping ne vient donc dégrader les couches sous jacentes du substrat. Dans l'exemple détaillé précédemment, l'étape de lithographie préalable comprend uniquement une étape de nano-impression. Cela a pour avantage de générer des marques de positionnement par simple emboutissage de la couche de résine. Cette dernière n'a pas besoin d'être développée pour former les reliefs définissant les marques d'alignement. Or, il s'avère que l'utilisation des solutions de développement habituellement utilisées dans les étapes de lithographie optique, électronique ou par faisceau d'ions dégrade la résine. La sensibilité de cette dernière est dégradée ce qui conduit à une diminution de la résolution lors d'étapes ultérieures de lithographie. Le mode de réalisation de l'invention faisant intervenir une nano- impression pour l'étape de lithographie préalable permet donc d'améliorer très significativement la définition des motifs obtenus.

En outre, les développements successifs de la résine ont tendance à « éroder » les motifs déjà formés, conduisant ainsi à une réduction du rapport de forme et à une dégradation de la géométrie des motifs finaux. Cela s'avère d'autant plus manifeste que les motifs présentent un rapport de forme élevé. Ainsi, l'invention, en prévoyant une étape de nano-impression pour la formation des marques de positionnement et des motifs préalables, permet de réduire le nombre d'étapes de développement et d'améliorer la géométrie des motifs par rapport aux solutions reposant sur de la photolithographie par exemple pour former les marques de positionnement. Par conséquent, des marques de positionnement, même de très petites dimensions et par exemple destinées à être détectées par diffraction conserveront une bonne géométrie après une étape de développement lors de la lithographie ultérieure et pourront être réutilisées pour une lithographie additionnelle.

En outre, l'invention permet l'utilisation de résines photosensibles à tonalité positive ou à tonalité négative.

Selon un mode de réalisation, les reliefs du moule destinés à former les marques d'alignement ne présentent pas la même hauteur que les reliefs du moule destinés à former les motifs préalables. Ainsi, les marques d'alignement et les motifs préalables présentent des profondeurs différentes. Typiquement, la profondeur des marques d'alignement est supérieure à celle des motifs préalables. De préférence, la profondeur de toutes les marques d'alignement est identique et la profondeur de tous les motifs préalables est identique. Cette différence de hauteur des reliefs du moule ou de profondeur des marques et des motifs préalables permet d'effectuer pour ces derniers une nano-impression « partielle » de la couche de résine, c'est-à-dire à faible profondeur afin de pouvoir modeler librement les motifs finaux à réaliser. Pour les marques d'alignement, on effectue avantageusement une nano-impression la plus profonde possible pour en améliorer le rapport de forme et la précision ce qui est très important pour permettre une détection précise, par exemple par diffraction et obtenir un positionnement amélioré.

Par ailleurs, la mise en œuvre d'une nano-impression permet de former des marques de positionnement de très faibles dimensions. Elles peuvent ainsi convenir à des systèmes de détection par diffraction ce qui permet d'améliorer la précision du positionnement de l'étape ultérieure de lithographie. Typiquement, l'invention permet d'obtenir des marques de positionnement d'une dizaine ou de quelques dizaines de nanomètres. La précision de l'alignement est typiquement inférieure à 100 nanomètres alors qu'avec les aligneurs conventionnels, reposant typiquement sur une détection optique, la précision de l'alignement est supérieure au millimètre. La précision d'alignement offerte par l'invention permet d'obtenir des motifs finaux en trois dimensions de taille réduite et de qualité améliorée. En effet, alors que les procédés connus ne permettent que d'obtenir des motifs en trois dimensions largement supérieurs au micromètre, l'invention permet aisément d'obtenir des motifs en trois dimension inférieurs au micromètre.

L'invention peut aussi s'étendre ainsi aux lithographies hybrides ou composites. Pour rappel une lithographie hybride ou composite met en jeu deux types au moins de lithographie, les motifs effectués au cours des différentes étapes d'une lithographie hybride se chevauchant, alors que les motifs effectués au cours des différentes étapes d'une lithographie composite ne se chevauchent pas.

Le nombre d'étapes de lithographie ultérieures utilisant les marques de positionnement n'est pas limité.

Les marques de positionnement imprimées peuvent ne pas être gravées. Contrairement au procédé standard de lithographie où les motifs et donc les marques de positionnement, sont systématiquement gravés, on a ici la possibilité de les garder ou de les supprimer ou de les modifier en fonction de ce que l'on souhaite réaliser dans la suite d'un processus de fabrication utilisant le procédé de l'invention. Si les marques doivent être supprimées il suffit, dans le cas d'une résine négative, de ne pas les insoler. Si la résine est positive, il faudra au contraire les insoler. Le masque où le réticule sera adapté en conséquence.

On remarquera qu'en gravant les marques de positionnement les étapes de lithographie suivantes pourront les réutiliser sans devoir en générer de nouvelles. On supprime ainsi des étapes de lithographie, gravure et enlèvement de la résine d'où une diminution du taux d'occupation des équipements, des consommables utilisés, conduisant à une diminution du coût de réalisation du dispositif. Les marques de positionnement imprimées dans la résine possèdent une certaine topographie. C'est par ce biais qu'elles peuvent être détectées par les systèmes de positionnement. Par exemple, les systèmes de détections par diffractions de la lumière peuvent les détecter, tout comme des systèmes de reconnaissance optique. I l existe de nombreux systèmes de positionnement développés par les différents équipementiers. Par exemple pour l'équipementier ASML, on peut citer le système TTL acronyme de through the lens c'est-à-dire à travers la lentille ou le système ATHENA.

A titre d'exemple, pour un stepper ASML 300, deux types de marques peuvent être utilisés : les marques désignées PM (Primary Marks) ou les marques désignées SPM (Scribelane Primary Marks)

Avec le procédé de l'invention il est possible d'utiliser la plupart des types de marques déjà utilisés d'une façon standard en lithographie pour le positionnement des masques. Si besoin, des adaptations de dimensions, notamment d'épaisseur, pourront être réalisées pour faciliter la détection des motifs réalisés dans la résine par rapport à ceux réalisés classiquement dans le substrat. Par exemple, on pourra, pour les marques PM précédemment définies, augmenter la profondeur de ces marques dans la résine à 400nm contre 120nm pour les mêmes marques réalisées dans des substrats de silicium. Ces ajustements sont à la portée de l'homme du métier qui sait déjà apporter des ajustements similaires en fonction du type de substrats dans lequel ces marques sont réalisées dans l'art antérieur. Il convient de remarquer que les motifs correspondants du moule d'impression devront être bien sûr le miroir des marques standard de positionnement. De plus, il est également nécessaire d'inverser leur topographie. Une marque constituée de tranchées devra être constituées de reliefs sur le moule.

La définition des motifs ainsi réalisés, comparée à une technique par une seule étape de nano impression, est meilleure. En effet, grâce à l'étape de formation de motifs additionnels effectuée lors de l'étape de lithographie ultérieure nous avons la possibilité de minimiser tous les problèmes et défauts inhérents au démoulage.

En particulier, comme déjà noté précédemment, dans la mise en œuvre standard de la lithographie par impression nanométrique, les parties de résine embouties par le moule sont considérées comme des résidus qu'il faut pouvoir enlever. Si les motifs additionnels couvrent l'ensemble du fond des zones embouties, alors les résidus peuvent être aisément et précisent retirés.

Si les motifs additionnels sont plus petits que le fond des zones embouties et sont ponctuels, alors on peut former des trous verticaux particulièrement utiles pour la création des interconnexions. L'invention permet donc de tirer avantage des résidus inévitablement générés par l'impression nanométrique et qui sont habituellement perçus comme un inconvénient majeur de cette technique.

Un autre avantage de la présente invention réside dans le fait qu'elle est plus simple à mettre en œuvre que les solutions utilisant des couches sacrificielles ou des anti-réflecteurs. Plus précisément, l'invention permet de réduire le nombre d'étapes habituellement nécessaires avec ces solutions connues. L'invention procure donc des avantages significatifs en terme de simplicité, de fiabilité et de coût.

Enfin, pour obtenir une meilleure reprise d'alignement après l'étape d'impression du moule dans la résine 1 10, il est préférable, comme montré sur la figure 2, de créer une nappe symétrique par rapport aux axes X et Y du substrat 100. Ainsi il est plus facile de corriger les erreurs de rotation, translation, expansion et magnification. Naturellement, les marques de positionnement doivent être situées dans des zones de la plaque lisibles par l'équipement de positionnement qui effectuera l'étape de lithographie ultérieure.

L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits mais s'étend à tout mode de réalisation conforme à son esprit.