ELECTROSTATIQUE

L'invention porte sur un procédé de lithographie électronique, et plus particulièrement de lithographie électronique à faible énergie.

La lithographie électronique (ou « lithographie par faisceau d'électrons ») est un procédé de micro- et nano-fabrication qui consiste à déposer une résine sensible (« resist ») au-dessus de la surface d'un substrat, à exposer la résine à un faisceau d'électrons de manière à provoquer en son sein des modifications physiques et chimiques localisées, puis à développer la résine, c'est-à-dire enlever sélectivement ses portions exposées (on parle alors de résine « positive ») ou non exposées (résine « négative ») pour mettre à nu les régions sous-jacentes du substrat. Un motif géométrique est donc transféré à la résine par le faisceau d'électrons ; il peut ultérieurement être transféré au substrat à travers les ouvertures pratiquées à travers la couche de résine.

Par rapport à la photolithographie, la lithographie électronique permet d'atteindre des résolutions plus élevées, car les effets de diffraction sont beaucoup moins importants. En fait, en lithographie électronique la résolution est principalement limitée par la diffusion des électrons dans la résine et leur rétrodiffusion par le substrat. La fonction d'étalement du point PSF (de l'anglais « Point Spread Function ») permet de quantifier ces effets ; elle est typiquement exprimée par l'équation suivante : ou :

r est la distance radiale par rapport au point d'impact du faisceau d'électrons ;

a est l'écart type de la distribution (supposée gaussienne) des électrons diffusés vers l'avant; β est l'écart type de la distribution (supposée gaussienne) des électrons rétrodiffusés par le substrat ;

η est la proportion d'électrons rétrodiffusés.

On peut avoir, par exemple, cc=17 nm, β=288,3 nm et η=0,35. Pour minimiser l'étalement de la PSF, on utilise généralement des faisceaux d'électrons d'énergie comprise entre 50 keV et 100 keV. Cependant, l'utilisation d'énergies aussi élevées provoque un réchauffement, et donc une déformation thermique, du substrat. Cela nuit à la précision du transfert du motif géométrique. Pour éviter cet effet, il a été proposé d'utiliser des électrons de faible énergie - typiquement 5 à 10 keV - présentant néanmoins une profondeur de pénétration suffisante (de l'ordre de 300 nm). Dans ces conditions, cependant, la diffusion des électrons est importante, ce qui limite la résolution spatiale atteignable.

Il a également été proposé, afin de réduire l'étalement de la PSF, d'insérer une couche intermédiaire de faible densité atomique entre la résine et le substrat, voir par exemple le document FR 2 994 489.

L'invention vise à remédier aux inconvénients précités de l'art antérieur. Plus particulièrement elle vise à améliorer la résolution spatiale de la lithographie électronique, et notamment de la lithographie électronique à faible énergie.

Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à l'implantation préalable d'électrons dans le substrat - ou dans une couche diélectrique déposée à sa surface. Ces électrons sont distribués spatialement de manière à générer un champ électrique répulsif qui s'oppose à la diffusion des électrons utilisés pour l'étape de lithographie proprement dite.

Un objet de l'invention est donc un procédé de lithographie électronique comprenant les étapes suivantes :

implanter dans un substrat, ou dans une couche diélectrique déposée à la surface dudit substrat, des électrons suivant un premier motif ;

déposer une résine pour lithographie électronique à la surface dudit substrat ou de ladite couche diélectrique sacrificielle ; et exposer ladite résine au moyen d'un faisceau d'électrons suivant un second motif, puis la développer ;

lesdits premier et second motifs étant constitués par des motifs élémentaires, les motifs élémentaires dudit premier motif entourant au moins partiellement les motifs élémentaires dudit second motif.

D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement :

Les figures 1 A à 1 F, six étapes d'un procédé selon un mode de réalisation de l'invention ;

La figure 2, un exemple de motif géométrique de lithographie, et du motif d'implantation électronique préalable qui lui est associé ; et

La figure 3 illustre le champ électrique obtenu grâce à l'implantation électronique préalable à la lithographie.

Les figures ne sont pas à l'échelle.

La figure 1 A montre un substrat semi-conducteur S, par exemple en silicium, sur lequel est déposée une couche sacrificielle (c'est-à- dire destinée à être enlevée) CD en matériau diélectrique - par exemple en oxyde de silicium, oxyde métallique, nitrure de titane, etc. L'épaisseur de cette couche CD est typiquement de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres, par exemple comprise entre 10 et 100 nm et de préférence entre 20 et 50 nm. Sa résistivité est de préférence supérieure ou égale à 10 ⁶ Ω/Β (Ohms/carré). Si le substrat est isolant, la couche CD peut être absente.

Une implantation d'électrons est réalisée dans la couche CD au moyen d'un faisceau électroniques FEI, suivant un motif géométrique élémentaires MPI dont les caractéristiques seront discutées plus loin. Cette étape est illustrée sur la figure 1 B ; dans ce mode de réalisation particulier, le motif élémentaire MPI est en forme d'anneau. Une fraction des électrons du faisceau FEI sont piégés dans le diélectrique, les autres diffusent dans le substrat semi-conducteur, qui est relié à la masse. Les nuages de diffusion des électrons sont représentés en trait pointillé sur la figure. La dose d'implantation dans la couche CD, définie comme la densité de charge incidente, est généralement comprise entre 1 et 100 μΟ/οηπ ² ; de préférence elle est déposée à très basse énergie (moins de 5 keV) pour maximiser le taux d'électrons qui restent piégés dans le diélectrique. La figure 1 C représente schématiquement les électrons EP piégés dans la couche diélectrique CD ; on peut y voir que le motif d'implantation MPI a été transféré à la couche diélectrique sous la forme d'une densité de charge négative. On peut également noter qu'il se produit dans le substrat, à proximité de l'interface avec la couche diélectrique, une accumulation de trous T, attirés par les électrons piégés ED.

Ensuite, comme illustré sur la figure 1 D, une couche de résine R est déposée sur la couche diélectrique CD, puis cette résine est exposée à un faisceau d'électrons FL, de préférence à faible énergie (10 keV ou moins, voire 5 keV ou moins) selon un motif géométrique élémentaire de lithographie ML. Dans l'exemple de la figure, le motif élémentaire ML a la forme d'un disque circulaire, situé à l'intérieur du motif d'implantation préalable MPI, en anneau ; ces deux motifs sont illustrés sur la figure 2. Plus généralement, le motif élémentaire d'implantation préalable MPI entoure le motif de lithographie. Si ce dernier a la forme d'une piste linéaire, par exemple, le motif MPI sera constitué par deux autres pistes linéaires, situées de part et d'autre de la première.

On peut voir sur la figure 1 D que les électrons EFL du faisceau de lithographie FL sont repoussés par les électrons EP piégés dans la couche CD, ce qui a l'effet de les confiner à l'intérieur du motif de lithographie ML, limitant leur diffusion. La figure 3 montre le champ électrostatique dans le vide V, au dessus de la couche de résine R. On peut remarquer que le champ électrostatique converge vers le centre du motif ML.

Après avoir traversé la couche, les électrons EFL parviennent au substrat, où ils se recombinent rapidement avec les trous T accumulés à l'interface substrat - couche diélectrique. Cette recombinaison rapide réduit la fraction d'électrons rétrodiffusés η et contribue donc à limiter l'étalement de la PSF. Cet effet ne se produit pas si le substrat est isolant. La dose de charge implantée et la géométrie du motif d'implantation MPI peuvent être optimisés au moyen de simulations numériques tenant compte de la diffusion des électrons EFL dans la résine et dans le substrat, ainsi que de l'influence du champ électrique généré par les électrons piégés EP et les trous T. Dans le cas d'un motif élémentaire de lithographie ML en forme de disque et d'un motif d'implantation MPI en forme de couronne circulaire, il n'y a que trois paramètres à optimiser : la dose implantée, l'espacement entre le motif ML et le motif MPI (représenté par d1 sur la figure 2) et la largeur de la couronne circulaire MPI (d2). On peut donc procéder aisément par essais.

Les étapes ultérieures du procédé sont conventionnelles : on développe la résine exposée, de manière à obtenir une ouverture en correspondance du motif de lithographie ML - si la résine est positive - ou de son complément - si la résine est négative (figure 1 E) puis, ou en même temps, on grave la couche diélectrique sacrificielle CD (figure 1 F) de manière à mettre à nu le substrat S. On peut ensuite procéder, par exemple, au dépôt d'une métallisation à la surface du substrat, en correspondance de l'ouverture ainsi obtenue (non représenté).

Bien entendu, dans les applications réelles le motif d'implantation et le motif de lithographie seront constitués par un grand nombre de motifs élémentaires tels que ceux représentés sur les figures.